A reprodução de aspectos do senso de toque humano é very important para o desenvolvimento de tudo, desde robôs industriais a dispositivos médicos e interfaces de usuário de realidade digital. Uma das maneiras mais econômicas de dar às máquinas que a sensação de toque é através do uso de sensores de pressão. Mas no mundo dos sensores de pressão, um tamanho não se encaixa em todos. Em geral, eles podem ser ajustados para detectar diferenças muito finas na pressão, ou quantidades muito grandes de pressão, mas não ambas. E isso significa que as máquinas que dependem desses sensores lutam com a versatilidade.
Esta situação, sem dúvida, tem pesquisadores no campo sentindo a pressão. Mas uma solução pode finalmente estar próxima, graças ao trabalho de um grupo de engenheiros da Universidade de Jilin. A idéia pode não ser inteiramente a sua, pois eles emprestaram fortemente da natureza, mas de seus Sensor de pressão inspirado no escorpião Pode ser exatamente o que precisamos para dar a máquinas uma sensação de toque mais humana no futuro.
O sistema de detecção pure de um escorpião (📷: P. Wang et al.)
Os escorpiões, apesar de sua visão fraca, têm uma capacidade extraordinária de perceber o ambiente. Isso é possível através de duas estruturas especializadas. Primeiro são a Tricobotria, estruturas longas semelhantes a cabelos que respondem a mudanças sutis no fluxo de ar, permitindo que o animal sinta predadores ou presas se movendo nas proximidades. Segundo, a Slit Sensilla, que são neurônios sensoriais sob pequenas rachaduras no exoesqueleto que convertem vibrações na Tricobotria em sinais que o sistema nervoso pode processar. Juntos, esses recursos permitem que os escorpiões detectem mudanças delicadas nas correntes de ar e fortes vibrações no solo com precisão impressionante.
Inspirado nesses sistemas naturais, a equipe projetou um sensor de pressão piezoresistiva bioinspirado (BPPS). O dispositivo aborda o trade-off de engenharia clássico entre sensibilidade e alcance combinando dois elementos complementares: armadilhas de estresse e unidades de supressão de flexão.
No lado superior de um chip de silício, os pesquisadores gravaram armadilhas de estresse, que são estruturas microscópicas que concentram a energia mecânica da mesma maneira que as fendas nas vibrações do funil do exoesqueleto de um escorpião. Essas armadilhas aumentam bastante a sensibilidade do sensor, permitindo que ele registre até as pressões mais fracas. Na parte inferior do chip, eles adicionaram unidades de supressão de flexão. Estes foram modelados nas bases semelhantes a garras de pêlos de escorpião, que limitam o excesso de flexão da membrana e reduzem o ruído mecânico. Na versão synthetic, as unidades de supressão impedem distorções que normalmente reduzem a precisão, estendendo assim a faixa linear de pressões que o dispositivo pode medir.
O design do robô (📷: P. Wang et al.)
O resultado é um sensor com alta sensibilidade e excelente linearidade em um amplo período de pressões, de 0 a 500 quilopascals. Nos testes técnicos, alcançou uma sensibilidade de 65,56 milivolts por volts por quilopaascal e mantinha linearidade quase perfeita (um coeficiente de 0,99934). Ele também demonstrou tempos rápidos de resposta e recuperação, bem como durabilidade em dezenas de milhares de ciclos.
Para ir além do laboratório, os pesquisadores integraram os BPPs a um robô de seis pernas e o conectaram a uma rede de aprendizado profundo. Muito parecido com um verdadeiro escorpião, o robô poderia sentir as minuto de pressão do ar muda em torno de seu corpo e responder de acordo. Nas demonstrações, ele rapidamente se afastou de grandes objetos que se aproximam, imitando a prevenção de predadores e navegou em direção a alvos menores semelhantes a presas.
Ao mesclar engenharia cuidadosa com lições da natureza, a equipe mostrou como as antigas ferramentas de sobrevivência dos Scorpions podem orientar o desenvolvimento da próxima geração de sensores de alto desempenho. Se amplamente adotado, esses dispositivos poderiam aproximar as máquinas um passo para experimentar o mundo como criaturas vivas.