Robô ambulante de quatro patas menor que uma cabeça de formiga

Até onde sabemos, o menor robô ambulante do mundo

Alguns anos atrás, o Spectrum IEEE já escreveu sobre os menores robôs quadrúpedes que existiam na época - apenas 20 mm de tamanho, com uma altura de pernas de 5,6 mm e um peso de 1,5 g. Seu desenvolvedor, Ryan Saint-Pierre, do laboratório de Sarah Bergbreiter da Universidade de Maryland, também nos mostrou uma fotografia de um robô ainda menor, pesando apenas 100 mg. Quando vimos tudo isso na conferência do ICRA 2016, perguntamos a Ryan se ele iria mais adiante no caminho da redução:

"É sempre interessante resolver o problema de fabricar os menores robôs possíveis", ele nos disse. - Enquanto trabalho na criação de um robô de acordo com o mesmo esquema, com 2,5 mm de comprimento, uma ordem de magnitude menor do que a apresentada no ICRA. Os robôs menores são mais fáceis de penetrar em locais onde os grandes não conseguem se rastrear, e uma variedade de tamanhos aumenta sua utilidade. ”

Mas acabou que uma ordem não era suficiente e, em vez disso, Saint-Pierre desenvolveu um robô de quatro patas 10 vezes menos que o planejado: pesa apenas um miligrama e menos que a cabeça de uma formiga.

Ryan nos enviou vídeos de um robô em funcionamento, embora seja difícil imaginar o quão pequeno ele é. Para escala, imagine uma formiga - ela não é muito grande, tem apenas alguns centímetros de comprimento e o tamanho do microrobô é de 2,5 mm × 1,6 mm × 0,7 mm. Seu circuito se assemelha a robôs com membros rotativos, como o RHex , cuja massa é um milhão de vezes maior que a deste micro-tetrápode.


Como seus antecessores, esse robô é pequeno demais para usar motores ou eletrônicos tradicionais. Suas pernas são controladas por campos magnéticos externos, afetando pequenos ímãs cúbicos embutidos nas pernas. Os campos magnéticos em rotação fazem com que os ímãs girem, o que proporciona às pernas uma velocidade de rotação de até 150 Hz. Ao colocar os ímãs nas pernas de diferentes maneiras, você pode obter diferentes tipos de marcha. A velocidade máxima do robô é de impressionantes 37,3 mm / s, ou 14,9 comprimentos de seu corpo por segundo, e, surpreendentemente, o robô se mostrou bastante resistente, tendo sobrevivido a um milhão de ciclos de operação "sem sinais visíveis de desgaste ou eficiência reduzida".

Para saber mais, incluindo exemplos reais do uso desses robôs, conversamos por e-mail com Ryan Saint-Pierre.

IEEE Spectrum : Você pode comparar seus robôs com outros robôs ambulantes de pequena escala?

Ryan Saint-Pierre : Neste trabalho, é apresentado um dos menores e mais rápidos micro-robôs que usam pernas para movimento. Existem micro-robôs menores, mas geralmente não usam pernas para movimento. Este trabalho ajuda a melhorar a compreensão da dinâmica do movimento em uma escala de miligramas, tanto em robótica quanto em biologia.


Um robô de miligrama ao lado da cabeça de uma formiga tropical seca paraponera clavata

O artigo afirma que a orientação dos ímãs nas pernas leva a um movimento de salto do robô. Por que essa marcha foi escolhida e quais poderiam ser os benefícios potenciais de outra marcha?

A marcha pode ser definida mecanicamente, escolhendo a orientação dos ímãs em relação um ao outro. Inicialmente, escolhi a opção de salto, quando os quatro ímãs são direcionados em uma direção, para facilitar a montagem e o arranjo manual dos ímãs. Nas versões subseqüentes, usei trote quando o arranjo diagonal dos ímãs coincidiu. A marcha acaba sendo importante ao se deslocar em terrenos lisos e acidentados, e provavelmente é necessário mudar a marcha ao mudar de superfície, mas nesta fase do projeto isso não é possível.

Qual é o uso potencial de robôs quadrúpedes desse tamanho?

A primeira coisa é ajudar a entender a dinâmica do movimento com os pés em uma escala de miligramas e obter modelos computacionais e físicos mais representativos de formigas correndo. Uma melhor compreensão dos princípios fundamentais do movimento em uma escala de miligrama será útil para o desenvolvimento e gerenciamento de robôs autônomos dessa escala.

Você pode tornar o robô ainda menor? Quais são os benefícios e desafios?

Definitivamente possível. Tudo depende da tecnologia disponível para a produção de material magnético e do corpo do robô. Mas se você reduzir o tamanho, deixando o mesmo esquema de transferência de esforços para as pernas, poderão surgir problemas. As forças de atrito começarão a dominar as articulações, o que exigirá um aumento no torque para girar as pernas e reduzir a eficiência do movimento. Uma redução no tamanho em comparação com o miligrama atual exigirá uma mudança na estratégia do motor. No entanto, reduzir a escala sem alterar o esquema de trabalho e transferir esforços nos dará idéias sobre a escala do movimento do solo com a ajuda das pernas, revelará restrições fundamentais ao movimento e idéias sobre a pressão evolutiva nos sistemas biológicos.

Admito que estou desapontado com a falta de planos para enviar imediatamente esses pequenos robôs para dentro de nosso corpo, para que eles corram para lá e consertem tudo, no entanto, os objetivos de curto prazo associados ao estudo do movimento de robôs com pernas em pequena escala podem se tornar passos muito pequenos nessa direção.

O trabalho “Um robô de miligrama 3D com as pernas se movendo a uma velocidade de 15 comprimentos de corpo por segundo” por Ryan Saint-Pierre, Walker Gosrich e Sarah Bergbreiter da Universidade de Maryland (que agora trabalham na Universidade Carnegie Mellon) foi apresentado em 2018 nas conferências da Oficina de Sensores de Estado Sólido, Atuadores e Microsistemas de Hilton Head, onde recebeu um prêmio por melhor trabalho.