Pesquisadores da Universidade de Washington desenvolveram pequenos dispositivos robóticos que podem mudar a forma como eles se movem no ar, “encaixando-se” em uma posição dobrada durante a descida. Aqui é mostrada uma foto em timelapse do “microflier” caindo em seu estado desdobrado, o que o faz cair caoticamente e se espalhar com o vento. Foto de Mark Stone/Universidade de Washington
Por Roger Van Scyoc
Numa tarde fresca no coração do campus da Universidade de Washington, o outono, por alguns momentos fugazes, parece ter chegado cedo. Pequenos quadrados dourados que lembram folhas tremulam e depois caem, passando de uma queda frenética para uma descida graciosa com um estalo.
Apropriadamente chamado de “microfliers” e inspirado em Dobra Miura origami, esses pequenos dispositivos robóticos podem fechar-se durante a descida após serem largados de um drone. Esta acção de “estalo” muda a forma como se dispersam e pode, no futuro, ajudar a mudar a forma como os cientistas estudam a agricultura, a meteorologia, as alterações climáticas e muito mais.
“Na natureza, você vê folhas e sementes dispersas de uma só maneira”, disse Kyle Johnsonum Ph.D. da Allen Faculty. estudante e primeiro co-autor do artigo sobre o assunto publicado em Robótica Científica. “O que conseguimos alcançar foi uma estrutura que pode realmente atuar de duas maneiras diferentes.”
Quando abertos, os dispositivos tombam caoticamente, imitando a descida de uma folha de olmo. Quando dobradas e fechadas, elas caem de maneira mais estável, refletindo como uma folha de bordo cai de um galho. Através de uma série de métodos – sensor de pressão integrado, temporizador ou sinal Bluetooth – os pesquisadores podem controlar quando os dispositivos passam de abertos para fechados e, ao fazer isso, manipular até que ponto eles se dispersam no ar.
Como eles poderiam conseguir isso? Lendo nas entrelinhas.
“A dobra de origami Miura-ori, inspirada em padrões geométricos encontrados nas folhas, permite a criação de estruturas que podem ‘encaixar’ entre um estado plano e mais dobrado”, disse o co-autor sênior Vikram Iyerprofessor da Allen Faculty e codiretor do Computação para o Meio Ambiente (CS4Env). “Como é necessária apenas energia para alternar entre os estados, começamos a explorar isso como uma forma energeticamente eficiente de alterar a área de superfície no ar, com a intuição de que abrir ou fechar um pára-quedas mudará a velocidade de queda de um objeto.”
Essa eficiência energética é basic para poder operar sem baterias e reduzir o tamanho e o peso dos panfletos. Equipados com um atuador sem bateria e um circuito de coleta de energia photo voltaic, os microfliers apresentam recursos de economia de energia não vistos em equivalentes maiores e mais pesados movidos a bateria, como os drones. No entanto, eles são robustos o suficiente para transportar sensores para diversas métricas, incluindo temperatura, pressão, umidade e altitude. Além de medir as condições atmosféricas, os pesquisadores dizem que uma rede desses dispositivos poderia ajudar a traçar um quadro do crescimento das culturas em terras agrícolas ou detectar vazamentos de gás perto de centros populacionais.
“Esta abordagem abre um novo espaço de design para microfliers usando origami”, disse Shyam Gollakotao professor dotado de Thomas J. Cable na Allen Faculty e diretor da escola Laboratório de Inteligência Móvel que também foi um autor co-sênior. “Esperamos que este trabalho seja o primeiro passo em direção a uma visão futura para a criação de uma nova classe de passageiros e modalidades de voo.”
Pesando menos de meio grama, os microfliers requerem menos materials e custam menos que os drones. Eles também oferecem a capacidade de ir aonde é muito perigoso para um ser humano pisar.
Por exemplo, disse Johnson, microfolhetos poderiam ser implantados no rastreamento de incêndios florestais. Atualmente, as equipes de combate a incêndios às vezes fazem rapel até onde o fogo está se espalhando. Microfliers podem ajudar a mapear para onde um incêndio pode estar se dirigindo e onde é melhor lançar uma carga útil de água. Além disso, a equipe está trabalhando para tornar mais componentes do dispositivo biodegradáveis, caso não possam ser recuperados após serem liberados.
“Há muito trabalho para tornar esses circuitos mais sustentáveis”, disse Vicente Arroyosoutro Ph.D. da Allen Faculty. aluno e primeiro coautor do artigo. “Podemos aproveitar nosso trabalho em materiais biodegradáveis para torná-los mais sustentáveis.”
Além de melhorar a sustentabilidade, os pesquisadores também enfrentaram desafios relacionados à estrutura do próprio dispositivo. Os primeiros protótipos não tinham raízes de fibra de carbono que proporcionavam a rigidez necessária para evitar transições acidentais entre estados.
A equipe de pesquisa se inspirou nas folhas de olmo e bordo para projetar os microfolhetos. Quando abertos, os dispositivos caem caoticamente, semelhante a como uma folha de olmo cai de um galho. Quando eles são “encaixados” em uma posição dobrada, como mostrado aqui, eles descem de uma maneira mais estável e direta, como uma folha de bordo. Foto de Mark Stone/Universidade de Washington
Coletando folhas de bordo e olmo fora de seu laboratório, os pesquisadores notaram que, embora suas estruturas de origami exibissem a biestabilidade necessária para mudar entre estados, elas flexionavam com muita facilidade e não tinham a venação vista na folhagem encontrada. Para obter um controle mais refinado, eles seguiram outra sugestão do ambiente.
“Olhamos novamente para a natureza para tornar as faces do origami planas e rígidas, adicionando um padrão semelhante a veias à estrutura usando fibra de carbono”, disse Johnson. “Depois dessa modificação, não vimos mais muita energia que injetamos se dissipar nas faces do origami.”
No complete, os pesquisadores estimam que o desenvolvimento do seu projeto demorou cerca de dois anos. Ainda há espaço para crescer, acrescentaram, observando que os microfolhetos atuais só podem fazer a transição de abertos para fechados. Eles disseram que os designs mais recentes, ao oferecerem a capacidade de alternar entre estados, podem oferecer mais precisão e flexibilidade sobre onde e como são usados.
Durante os testes, quando lançados de uma altitude de 40 metros, por exemplo, os microvoadores puderam se dispersar até distâncias de 98 metros com uma leve brisa. Refinamentos adicionais poderiam aumentar a área de cobertura, permitindo-lhes seguir trajetórias mais precisas, tendo em conta variáveis como vento e condições adversas.
Relacionado ao seu trabalho anterior com sensores inspirados no dente-de-leãoos microfolhetos de origami baseiam-se no objetivo maior dos pesquisadores de criar a web de coisas bio-inspiradas. Enquanto os dispositivos inspirados no dente-de-leão apresentavam voo passivo, refletindo a maneira como as sementes de dente-de-leão se dispersam no vento, os microfolhetos de origami funcionam como sistemas robóticos completos que incluem atuação para alterar sua forma, transmissão sem fio ativa e bidirecional por meio de um rádio integrado, e computação e detecção a bordo para desencadear mudanças de forma de forma autônoma ao atingir uma altitude alvo.
“Este projeto também pode acomodar sensores e carga útil adicionais devido ao seu tamanho e capacidade de captação de energia”, disse Arroyos. “É emocionante pensar no potencial inexplorado desses dispositivos.”
O futuro, por outras palavras, está a tomar forma rapidamente.
“O origami é inspirado na natureza”, acrescentou Johnson, sorrindo. “Esses padrões estão ao nosso redor. Só temos que procurar no lugar certo.”
O projeto foi um trabalho interdisciplinar de uma equipe totalmente UW. Os coautores do artigo também incluíram Amélie Ferranum Ph.D. estudante do departamento de engenharia mecânica, bem como Raúl VillanuevaDennis Yin e Tilboon Elberierque contribuíram como alunos de graduação em engenharia elétrica e de computação e professores de engenharia mecânica Alberto Aliseda e Sawyer Fuller.
Johnson e Arroyos, que cofundaram e atualmente lideram a organização educacional sem fins lucrativos AVELA – Uma visão para alfabetização e acesso em engenhariae seus colegas de equipe realizaram esforços de divulgação nas escolas de ensino basic e médio do estado de Washington relacionados à pesquisa, inclusive mostrando aos alunos como criar sua própria estrutura biestável de origami folheado usando um pedaço de papel. Confira um vídeo de demonstração relacionado aquie saiba mais sobre o projeto microflier aqui e em um relacionado Comunicado de imprensa da UW e História do GeekWire.
A Escola Paul G. Allen de Ciência da Computação e Engenharia faz parte da Universidade de Washington.