Pesquisadores criaram protótipos de robôs com sensores que imitam sistemas digestivos biológicos para suprir necessidades energéticas, empregam uma interface Janus para um suprimento constante de nutrientes e se movem na superfície da água como um inseto aquático.
Em 2017, a DARPA propôs um programa para desenvolver e implantar milhares de sensores flutuantes com o objetivo de coletar dados ambientais como “temperatura do oceano, estado do mar e localização, bem como dados de atividade sobre embarcações comerciais, aeronaves e até mesmo mamíferos marinhos que se movem pelo oceano”.
Chamado de Oceano de Coisas – e semelhante em essência à multidão de dispositivos inteligentes equipados com sensores que coletam informações em todo o mundo Web das Coisas – a página do projeto afirma que os dados dos sensores seriam enviados para o armazenamento em nuvem de propriedade do governo para análise, e que o OoT daria suporte a missões militares, ao mesmo tempo em que estaria aberto a órgãos de pesquisa e preocupações comerciais.
O professor Seokheum Choi da Binghamton College tem trabalhado em um dispositivo desses pelos últimos 10 anos ou mais, financiado pelo Workplace of Naval Analysis. Agora, Choi e sua equipe desenvolveram um pequeno robô aquático que pode deslizar pela superfície e é alimentado por bactérias a bordo em vez de sistemas de energia comuns como photo voltaic, cinética ou térmica.
“Pesquisadores estão buscando ativamente uma variedade de estratégias inovadoras para habilitar robôs autossustentáveis que colhem energia diretamente de seus arredores marinhos”, a equipe observa em seu artigo. “Essas estratégias incluem alavancar energia photo voltaic, energia cinética de ondas ou correntes, o potencial osmótico de águas salinas, gradientes térmicos e fontes de energia movidas a umidade.
“Apesar da natureza inovadora dessas abordagens, a disponibilidade variável de luz e energia mecânica em ambientes marinhos, combinada com os rendimentos de energia relativamente baixos de gradientes de salinidade, diferenciais térmicos e níveis de umidade, apresenta desafios significativos. Essas limitações dificultam a capacidade de garantir a operação confiável e contínua de robôs aquáticos baseados somente em tecnologias atuais de coleta de energia.”

Universidade de Binghamton
A usina de energia do novo sistema é construída em torno de uma célula de combustível microbiana que emprega bactérias formadoras de esporos conhecidas como Bacilo subtilis para um mini gerador inspirado em processos digestivos biológicos que converte matéria orgânica em eletricidade por meio de reações de redução-oxidação catalítica.
“Quando o ambiente é favorável para as bactérias, elas se tornam células vegetativas e geram energia, mas quando as condições não são favoráveis – por exemplo, está muito frio ou os nutrientes não estão disponíveis – elas voltam a ser esporos”, disse Choi. “Dessa forma, podemos estender a vida operacional.”
O ânodo na célula de combustível é feito de tecido de carbono revestido de polipirrol – selecionado por sua excelente condutividade e capacidade de suportar colonização bacteriana. O cátodo de aceitação de elétrons também é de tecido de carbono, mas é decorado com platina revestida de polipirrol e escolhido por suas “propriedades catalíticas para acelerar a redução de oxigênio”. A parte closing do quebra-cabeça é uma membrana Nafion 117 para transferência seletiva de prótons.
A usina integrada também apresenta superfícies hidrofóbicas e hidrofílicas adjacentes para permitir “o fluxo unidirecional de substratos orgânicos” da água do oceano para fornecer nutrientes aos esporos bacterianos.
Uma única configuração de célula de combustível conseguiu “uma densidade máxima de potência de 135 µW cm-2 e uma voltagem de circuito aberto de 0,54 V”, mas a ampliação para um conjunto de seis unidades resultou em geração de energia observada de quase um miliwatt. Essa saída pode ser relativamente pequena no grande esquema das coisas, mas é o suficiente para o pequeno motor DC que fica no topo da plataforma, bem como para os sensores de bordo.
“Para conseguir uma locomoção aquática suave, o robô emprega a força rotacional do motor, que exerce uma força de reação na plataforma, impulsionando-a para a frente na superfície da água sem força direta na água em si”, explicaram os pesquisadores, enquanto a “característica hidrofóbica contribui para a principal força de flutuação”. As pernas do pequeno robô também foram tratadas com um revestimento hidrofóbico para que ele possa deslizar pela superfície da água como um inseto aquático.
Dessa forma, a ideia aqui é conseguir implantar frotas de pequenos coletores de dados onde quer que sejam necessários a qualquer momento, em vez de ficarem presos a um único native durante toda a sua vida útil operacional.
“Embora este trabalho demonstre com sucesso a mobilidade autossustentável em superfícies aquáticas alimentadas por um conjunto MFC integrado, a exploração em aplicações práticas como localização, sensoriamento e processamento e transmissão de sinais em plataformas robóticas aquáticas continua sendo uma área madura para desenvolvimento”, observou a equipe. Mais trabalho sobre desempenho de longo prazo e adequação para condições ambientais variáveis também precisa ser realizado. Mas o sistema atual serve como uma prova de conceito para o novo design.
Um artigo da pesquisa foi publicado na revista Tecnologias de materiais avançados.
Fonte: Universidade de Binghamton