A maioria das pessoas pensa na orla marítima como o limite da cidade. Uma equipe de pesquisadores do MIT o vê como um canteiro de obras dinâmico, semelhante ao Lego.
Seu novo sistema, chamado “FloatForm”, é um enxame de pequenos barcos robóticos quadrados que se montam em estruturas maiores na água, se desfazem e se remontam em algo novo, tudo com o mínimo de orientação humana.
Cada robô, do tamanho aproximado de um prato de 21 centímetros quadrados, é uma embarcação independente com seus próprios propulsores, sensores e travas magnéticas. Juntos, eles sugerem um futuro em que a infraestrutura flutuante poderá tornar-se mais adaptável: uma plataforma temporária após uma emergência, um mercado num canal ou um palco que aparece para um pageant e se dissolve quando a multidão volta para casa.
“Nossos projetos FloatForm prevêem um futuro onde a orla marítima se tornará uma extensão programável da cidade, onde barcos autônomos podem se auto-organizar em pontes, plataformas e outras estruturas úteis sob demanda”, diz Daniela Rus, Professora Panasonic de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação no MIT e diretora do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Synthetic do MIT (CSAIL). “Este tipo de robótica distribuída abre novas possibilidades para mobilidade, resposta a emergências, espaço público e infraestrutura na água.”
“Com o FloatForm, estamos essencialmente transformando superfícies de água estáticas em espaços dinâmicos e programáveis”, diz Wei Wang, autor principal de um novo documento sobre o projeto e um ex-cientista pesquisador do MIT que agora lidera o Laboratório de Robótica Marinha da Universidade de Wisconsin em Madison. “Think about um ambiente urbano onde o espaço público não é fixo, mas pode expandir-se, contrair-se ou reconfigurar-se autonomamente sob demanda.”
“Vemos isso como a formação de uma infraestrutura na água, usando um sistema modular para criar um sistema maior”, diz Alejandro Gonzalez-Garcia, ex-pesquisador do MIT CSAIL e do Senseable Metropolis Lab. “Se houver uma emergência, você poderia formar uma nova ponte para aliviar o trânsito na cidade. Ou você poderia criar mercados flutuantes e palcos flutuantes. Se você quer uma cidade mais habitável, você quer usar a água também.”
O trabalho de acesso aberto, publicado hoje em Comunicações da Naturezavem dos laboratórios de Rus e Carlo Ratti, professor de prática de tecnologias urbanas e planejamento no MIT e diretor do Senseable Metropolis Lab, e cresce a partir de Robarcoo seu projeto conjunto com o Instituto de Soluções Metropolitanas Avançadas de Amesterdão que colocou navios autónomos de grande porte nos canais de Amesterdão. Esses canais já transportaram as mercadorias da cidade; hoje, eles transportam principalmente turistas.
“Exploramos se os canais poderiam ser usados para coleta de lixo ou para transporte, para descarregar parte do estresse nas estradas de volta à água”, diz Niklas Hagemann, estudante de graduação em arquitetura do MIT, afiliado do CSAIL e ex-pesquisador do Senseable Metropolis Lab que trabalhou no projeto desde seus estágios iniciais. “As áreas urbanas estão ficando mais densas, então seria possível expandir o espaço público para a água que atualmente é subutilizada?”
FloatForm reduz essa visão à escala de uma mesa para responder a uma pergunta mais difícil: como fazer com que dezenas, e eventualmente milhares, de robôs flutuantes se organizem?
Lições do formigueiro
A equipe encontrou sua resposta na biologia. As formigas de fogo sobrevivem às enchentes ligando seus corpos em jangadas vivas, sem nenhum líder coreografando a assembléia. Cada formiga segue regras locais simples e surge uma estrutura resiliente.
“Cada formiga é um agente independente”, diz Gonzalez-Garcia. “Queríamos que cada robô tivesse suas próprias capacidades, da mesma forma que as colônias de formigas formam uma jangada.”
A maioria dos sistemas robóticos automontáveis existentes, na água e em outros lugares, dependem de um computador central que dita cada movimento. Essa abordagem é vulnerável a pontos únicos de falha e é mal dimensionada: os balões matemáticos de planejamento são adicionados à medida que os robôs são adicionados, e o enxame deve ser montado sequencialmente, com a maioria dos robôs ociosos enquanto aguardam sua vez. FloatForm inverte a balança. Um planejador central leve intervém apenas com moderação, atribuindo a cada robô uma posição last para aperfeiçoar a rede, um nível de precisão geométrica que os métodos puramente distribuídos lutam para garantir. Todo o resto, incluindo navegar em direção à forma do alvo, evitar colisões e adaptar-se a perturbações, é executado nos próprios robôs, que se coordenam trocando posições com seus vizinhos imediatos. Todo o enxame se transfer ao mesmo tempo.
Esse paralelismo é o que diferencia o trabalho. A complexidade de planejamento da abordagem FloatForms depende apenas dos vizinhos locais do robô, e não do tamanho complete do enxame. “O que estamos tentando fazer é ter uma intervenção central mínima e fazer com que todos se movam juntos ao mesmo tempo”, diz Gonzalez-Garcia.
Em experiências no MIT, uma frota de oito robôs reunidos repetidamente a partir de posições aleatórias numa forma de alvo, preso a uma estrutura rígida, desmontado sob comando, remontado numa nova configuração e depois atravessado a piscina como uma única embarcação, com cada corrida a demorar entre quatro a oito minutos. Nesse modo last, denominado transporte coletivo, um planejador traça uma trajetória para toda a estrutura e cada robô calcula sua própria contribuição. “Todo robô se torna um atuador”, explica Gonzalez-Garcia. Simulações mostraram que a estrutura escalava suavemente para enxames de 64.
“A beleza desta abordagem amplamente descentralizada é que a computação não fica atolada à medida que o enxame cresce”, diz Wang. “Quer você trabalhe com oito barcos ou 80, toda a frota se coordena e se transfer simultaneamente. Como o tempo geral de montagem não aumenta significativamente, em princípio, o sistema permanece altamente escalável.”
Também há uma recompensa física em permanecermos juntos. “Nossos barcos ficam mais estáveis ao se unirem, como o formigueiro, se houver ondas ou correntes”, diz Hagemann.
Um aperto de mão de origami
Os robôs se conectam através de um mecanismo de travamento inteiramente escondido dentro de cada casco. Um único servo motor no centro aciona uma estrutura auxética inspirada em origami, uma geometria que se contrai uniformemente em todas as direções ao mesmo tempo, puxando ímãs permanentes em todos os quatro lados para dentro para soltá-los ou empurrando-os para fora para agarrar um vizinho em espaços de 10 a 15 centímetros. Os ímãs são dispostos com polaridades alternadas, de modo que os barcos se encaixem com segurança em redes quadradas limpas.
A parte elegante é o que o mecanismo não faz: consome (muita) energia. Uma caixa de engrenagens impressa em 3D mantém a trava em qualquer estado com o motor desligado. “Ele usa energia para travar e desengatar, mas entre esses estados não usa nenhuma energia”, diz Hagemann. Para infraestruturas que podem reter uma configuração por horas, isso é importante. “Como os robôs são tão pequenos, só é possível ter uma bateria tão grande”, acrescenta Gonzalez-Garcia. “Se eles usarem menos energia no travamento, poderão usar mais na computação ou no movimento actual.”
Chegar lá exigiu alguma engenharia humilhante. Quatro propulsores em miniatura dispostos em um “X” dão a cada robô movimento omnidirecional, incluindo giro no lugar, mas eles acumulam grandes forças em relação à pequena inércia dos robôs, o que tornava os primeiros protótipos inquietos e propensos a giros agressivos em baixas velocidades. A equipe adicionou aletas estabilizadoras para aumentar o arrasto hidrodinâmico e ajustou os controladores para permanecerem robustos em robôs que, nesta escala, nunca são idênticos. Os ímãs apresentavam seu próprio problema: eles se seguravam tão bem que, às vezes, o destravamento exigia que os robôs se soltassem.
Do tanque ao canal
Ao longo de 10 testes, o sistema completou as suas missões sem intervenção humana, 90% das vezes com quatro robôs e 70% com oito. Quando as coisas deram errado, a arquitetura mostrou sua resiliência: um robô que perdesse brevemente o rumo poderia se juntar à estrutura por conta própria, sem interromper todo o enxame, e os robôs presos em impasses de formação aprenderam a se libertar e tentar novamente.
Passar de um tanque interno controlado para um canal ou porto actual exigirá mais do que confiança. “Há sempre uma relação entre o tamanho de um barco e a magnitude da perturbação que ele pode suportar”, diz Gonzalez-Garcia. “Esses barcos são muito pequenos, portanto, em águas muito agitadas, eles não podem trabalhar.” Aumentar a escala significará reforçar as travas, potencialmente com intertravamento mecânico como o Roboat de tamanho actual usado, e trocar o posicionamento interno ultrassônico do laboratório por GPS ou detecção baseada em visão. Felizmente, o algoritmo de coordenação foi projetado para ser independente de sensores: troque os sensores, mantenha a lógica.
A equipe prevê aplicações muito além dos canais urbanos, desde a formação de plataformas temporárias para inspeção e manutenção offshore até redes de sensores adaptativos para estudo de espécies migratórias e estações de ancoragem reconfiguráveis para resposta de emergência em áreas de difícil acesso. Há também potencial para operações offshore e remotas, desde plataformas temporárias de construção até monitoramento ambiental e expedições científicas.
E a geografia está aberta. “Veneza, Holanda, Bélgica, os fiordes e lagos da Noruega, qualquer cidade com rio pode tirar vantagem disso”, diz Gonzalez-Garcia. “O projeto utiliza espaços onde a água já é importante, mas também levanta a questão: onde mais a água pode ser utilizada para algo mais?”
“Este é um passo emocionante na realização de comportamentos coletivos distribuídos na água”, diz o professor assistente da Universidade de Michigan, Steven Ceron, que não esteve envolvido na pesquisa. “A montagem, a auto-reconfiguração e o movimento coletivo são bastante difíceis em ambientes secos, mas alcançar esses comportamentos de forma predominantemente distribuída na água representa um sério desafio adicional, e esta equipe superou-o com credibilidade. Ao transferir a carga computacional para os próprios robôs, eles construíram um sistema mais resiliente que, num futuro próximo, poderá permitir que coletivos de robôs como este sejam implantados em ambientes de águas abertas para operações de busca, monitoramento ambiental e infraestrutura marítima reconfigurável.”
Gonzalez-Garcia, Hagemann e Wang escreveram o artigo com os autores seniores Ratti, que também é professor no Politecnico di Milano, e Rus. Gonzalez-Garcia também é afiliado à equipe de pesquisa MECO da KU Leuven. A pesquisa foi apoiada por uma bolsa do Instituto de Amsterdã para Soluções Metropolitanas Avançadas, com apoio adicional da Universidade de Wisconsin em Madison. A equipe agradece ao MIT Sea Grant e ao professor Michael Triantafyllou por fornecerem o tanque de teste.