Asymmetric vibration pattern enables ultrafast locomotion of an insect-scale amphibious microrobot

A natureza há muito tempo domina a arte de transitar entre mundos. Insetos como os de pés-de-água e os besouros girinos podem correr pela superfície de um lago e depois subir por uma margem lamacenta, tudo sem mudar suas pernas ou seu método de movimento. Eles usam os mesmos membros para empurrar a água e para empurrar o solo, contando com a física de seu ambiente para realizar o trabalho pesado. Para engenheiros que tentam construir máquinas minúsculas que possam fazer o mesmo, esse truque biológico tem sido um enigma persistente. Criar um robô pequeno o suficiente para caber no bolso — especificamente, um com menos de cinco centímetros de comprimento — já é difícil por si só. Fazer com que essa mesma máquina se mova de forma rápida e ágil tanto em terra seca quanto na superfície da água, carregando sua própria bateria e cérebro, parecia quase impossível. O desafio reside no fato de que a terra e a água exigem tipos de movimento muito diferentes; o que funciona para correr na terra muitas vezes falha ao nadar, e vice-versa. Geralmente, resolver isso exige máquinas complexas com múltiplos conjuntos de partes móveis, que são pesadas e volumosas demais para caber em uma estrutura do tamanho de um inseto.

Uma equipe de pesquisadores construiu agora uma solução que desafia essa compensação. Eles criaram um robô anfíbio de escala de inseto, sem fio, que tem apenas 2,1 centímetros de comprimento e pesa apenas 1,69 gramas. Essa pequena máquina pode percorrer o chão e deslizar pela superfície da água com uma velocidade notável, tudo isso enquanto carrega sua própria fonte de energia e sistema de controle sem fio. O segredo de seu sucesso é um único e inteligente padrão de movimento que funciona em ambos os ambientes. Em vez de usar pernas diferentes para nadar e correr, o robô usa um conjunto de atuadores para acionar um par de membros que atuam tanto como uma perna de corrida quanto como uma pá de natação. Ao vibrar esses membros em um ritmo específico e assimétrico, o robô gera movimento para frente na terra e na água sem precisar mudar seu hardware ou sua marcha.

O design do robô baseia-se na forma como os besouros girinos nadam. Esses besouros têm pernas que se espalham amplamente quando empurram para trás para agarrar a água, mas se dobram firmemente quando balançam para frente para reduzir a resistência. Os pesquisadores imitaram esse comportamento com uma pá de natação fixada na perna frontal do robô. Esta pá é conectada por uma dobradiça especial que permite que ela balance livremente em uma direção, mas trave no lugar na outra. Quando o robodo vibra, a pá balança amplamente durante a braçada de potência para empurrar a água, criando um forte impulso para frente. Na braçada de retorno, a pá se dobra, cortando a água com o mínimo de arrasto. Isso cria um empuxo líquido que impulsiona o robô para frente. Na terra, o mesmo padrão de vibração funciona de forma diferente. O corpo do robô é levemente inclinado, de modo que, quando a perna balança para trás, ela atinge o solo com força para empurrar o robô para frente. Quando balança para frente, ela se eleva ligeiramente no ar, evitando o atrito. Esse movimento simples, de via única, permite que o robô corra e nade usando exatamente a mesma configuração mecânica.

Para provar que esse conceito funciona no mundo real, a equipe construiu um protótipo e o testou em um ambiente controlado. Eles equiparam o robô com uma pequena bateria de lítio e um circuito de controle sem fio, tornando-o completamente autossuficiente. Em testes em uma superfície plástica, o robô alcançou uma velocidade máxima de 32,5 centímetros por segundo, o que é cerca de 15,5 vezes o comprimento de seu próprio corpo a cada segundo. Na água, atingiu 11,3 centímetros por segundo, ou 5,4 comprimentos de corpo por segundo. Essas velocidades são significativamente mais rápidas do que qualquer outro robô sem fio deste tamanho jamais conseguiu. O robô também demonstrou uma agilidade impressionante, sendo capaz de girar no solo a uma taxa de 760 graus por segundo e girar na água a 450 graus por segundo. Ele pôde navegar ao redor de obstáculos flutuantes, afastar detritos leves e até subir uma inclinação suave para passar da água para a terra e vice-versa.

Os pesquisadores não confiaram apenas em tentativa e erro; eles usaram modelos computacionais para entender exatamente como o robô se movia. Descobriram que a velocidade do robô depende fortemente da frequência de suas vibrações. Quando a frequência de vibração coincide com a ressonância natural da estrutura do robô, o movimento torna-se mais eficiente, gerando a velocidade máxima possível. Eles também descobriram que o tamanho da pá de natação e a rigidez de sua dobradiça eram fatores críticos. Se a pá fosse grande demais ou a dobradiça muito rígida, o robô não conseguiria se mover tão rápido. Ao ajustar esses detalhes, eles otimizaram o design para garantir que ele operasse em seu pico de desempenho. O estudo confirma que é possível criar uma máquina que seja ao mesmo tempo incrivelmente pequena e incrivelmente rápida, desde que utilize uma estratégia de movimento que respeite a física tanto do ar quanto da água.

Este feito marca um passo significativo no campo da microrrobótica. Até agora, a maioria dos pequenos robôs que podiam se mover na terra e na água eram lentos demais, grandes demais ou exigiam um fio para fornecer energia. Este novo robô mostra que um mecanismo único e simples pode lidar com as demandas complexas de dois mundos diferentes. Ele abre as portas para futuras máquinas que poderiam explorar zonas de desastre, procurar sobreviventes em áreas inundadas ou monitorar ecossistemas delicados sem perturbá-los. Os pesquisadores observaram que, embora seu robô atual funcione bem em superfícias lisas, versões futuras precisarão se adaptar a terrenos mais acidentados, como areia ou grama. Eles também planejam adicionar sensores visuais para que o robô possa navegar por conta própria, sem controle humano. Por enquanto, no entanto, a demonstração de um robô de 2,1 centímetros correndo e nadando em altas velocidades serve como uma prova clara de que os truques da natureza podem ser traduzidos com sucesso para a engenharia, criando máquinas que são tão ágeis quanto os insetos que as inspiraram.