Os músculos artificiais que vão dar força aos robôs do futuro

Os cérebros dos robôs estão cada vez mais inteligentes, mas os seus corpos ainda são geralmente desajeitados e difíceis de controlar. O engenheiro mecânico Christoph Keplinger está a desenhar uma nova geração de robôs moles e ágeis inspirados numa obra-prima da evolução: o músculo biológico. Vejam estes "músculos artificiais" a expandir-se e a contrair-se como os reais e a atingir velocidades sobre-humanas — e descubram como eles podem accionar próteses que são mais fortes e mais eficientes do que os membros humanos.

Em 2015,
25 equipas de todo o mundo

competiram para construir robôs
para cenários de desastre

que pudessem cumprir inúmeras tarefas,

como usar uma ferramenta eléctrica,

trabalhar em terreno irregular,

e conduzir um carro.

Tudo isto parece impressionante,
e realmente é,

mas vejam o corpo de HUBO,
o robô vencedor.

Aqui, o HUBO está a tentar
sair de um carro,

e não se esqueçam,

o vídeo está acelerado três vezes.

(Risos)

O HUBO, da equipa coreana KAIST,
é um robô topo-de-gama,

com capacidades impressionantes,

mas o seu corpo
não é assim tão diferente

dos robôs que víamos há algumas décadas.

Se virem os outros robôs em competição,

os movimentos deles
ainda parecem muito robotizados.

Os corpos deles são
estruturas mecânicas complexas

que usam materiais rígidos,

como o metal
e os tradicionais motores eléctricos.

Eles certamente não foram projectados

para serem de baixo custo,
seguros perto de pessoas,

e adaptáveis a desafios imprevisíveis.

Temos feito um bom progresso
com os cérebros dos robôs

mas os seus corpos
ainda são primitivos.

Esta é a minha filha Nadia.

Ela tem apenas cinco anos

e consegue sair do carro
muito mais rápido do que o HUBO.

(Risos)

Ela também consegue balançar-se
nas barras facilmente,

muito melhor do que conseguiria
qualquer robô humanoide actual.

Ao contrário do HUBO,

o corpo humano usa amplamente
materiais macios e deformáveis

como os músculos e a pele.

Precisamos de uma nova geração
de corpos robóticos

que seja inspirada na elegância,
na eficiência e nos materiais moles

das criações encontradas na natureza.

Realmente, esta tornou-se a ideia chave
de uma nova área de investigação

chamada robótica mole.

O meu grupo de investigação
e colaboradores em todo o mundo,

estão a usar componentes moles
inspirados nos músculos e na pele

para construir robôs
com agilidade e destreza

que se aproximem cada vez mais

das capacidades incríveis
dos organismos encontrados na natureza.

Sempre me senti particularmente inspirado
pelo músculo biológico.

Não é surpreendente.

Eu também sou austríaco, e sei que soo
um pouco como o Exterminador Implacável.

(Risos)

O músculo biológico é
uma verdadeira obra-prima da evolução.

Consegue sarar depois de danificado,

e está fortemente ligado
aos neurónios sensoriais

para dar resposta ao movimento
e ao ambiente.

Consegue contrair-se rápido
o suficiente para dar energia

às asas ultra-rápidas de um beija-flor;

consegue ter força suficiente
para mover um elefante;

e é adaptável o suficiente para ser usado

nos braços extremamente
versáteis de um polvo,

um animal que consegue
fazer passar o seu corpo todo

através de orifícios diminutos.

Os actuadores são para os robôs
o que os músculos são para os animais:

componentes cruciais do corpo

que permitem o movimento
e a interacção com o mundo.

Por isso, se conseguíssemos
construir actuadores moles,

ou músculos artificiais,

que fossem tão versáteis e adaptáveis,

e conseguissem ter
o mesmo desempenho que os reais,

poderíamos construir
quase qualquer tipo de robô

para quase qualquer fim.

Sem surpresas, há décadas
que se tem tentado replicar

as capacidades incríveis dos músculos,

mas tem sido muito difícil.

Há cerca de 10 anos,

quando eu fiz o meu doutoramento
ainda na Áustria,

os meus colegas e eu redescobrimos
aquela que é, provavelmente,

uma das primeiras publicações
sobre músculo artificial,

publicada em 1880:

"As mudanças de forma e volume
de corpos dieléctricos

"causadas pela electricidade",

publicada pelo físico alemão
Wilhelm Röntgen.

A maioria de vocês conhece-o
pela descoberta dos raios X.

Seguindo as suas instruções,
usámos um par de agulhas.

Fizemos a ligação a uma fonte
de alta-voltagem,

e colocámo-la perto de um pedaço
de borracha transparente

que fora previamente ajustada
a uma moldura plástica.

Quando ligámos a voltagem,

a borracha deformou-se

e tal como os nossos bíceps
flectem o nosso braço,

a borracha flectiu a moldura plástica.

Parece magia.

As agulhas nem sequer
tocam na borracha.

Mas ter duas agulhas
não é uma forma prática

de manobrar músculos artificiais,

mas esta experiência fabulosa
deixou-me agarrado a este assunto.

Eu queria criar novas formas
de construir músculos artificiais

que funcionassem bem
em aplicações no mundo real.

Nos anos seguintes, trabalhei
em várias tecnologias diferentes

que se mostraram promissoras,

mas todas tinham
desafios difíceis de ultrapassar.

Em 2015, quando comecei
o meu laboratório

na Universidade de Colorado Boulder,

quis experimentar uma ideia
completamente nova.

Queria combinar
a alta velocidade e a eficiência

de actuadores controlados electricamente,

com a versatilidade
de actuadores macios e fluidos.

Assim sendo, pensei eu,

talvez possa tentar usar ciência antiga
de uma forma nova.

O diagrama que aqui vêem

mostra um efeito
chamado tensor de Maxwell.

Quando pegamos em duas placas metálicas

e as colocamos
num recipiente cheio de óleo,

e depois ligamos a voltagem,

o tensor de Maxwell força o óleo
a subir no meio das duas placas,

e isso é o que vêem aqui.

A ideia chave foi, então:

Será que podemos usar este efeito
para empurrar o óleo

contido em estruturas moles
com elasticidade?

De facto, isto funcionou
surpreendentemente bem.

Para dizer a verdade,
bem melhor do que eu esperava.

Em conjunto com a minha incrível
equipa de alunos,

usámos esta ideia como ponto de partida

para desenvolver uma nova tecnologia
chamada músculos artificiais HASEL.

Os HASELs são delicados o suficiente
para pegar numa framboesa

sem a danificar.

Eles podem expandir-se e contrair-se
como um músculo real.

E podem ser accionados
mais rápido do que os reais.

Podem também ser aumentados
para exercerem mais força.

Aqui podem vê-los a levantar
quase quatro litros de água.

Podem ser usados para controlar
um braço robótico,

e conseguem até sentir qual a sua posição.

Os HASELs podem ser usados
para movimentos de grande precisão,

mas também podem fazer movimentos
muito fluidos, semelhantes aos músculos,

e ter explosões de força
para atirar uma bola ao ar.

Quando submersos em óleo,

os músculos artificiais HASEL
podem tornar-se invisíveis.

Como funcionam, então,
os músculos artificiais HASEL?

Talvez fiquem surpreendidos.

Eles baseiam-se em materiais baratos
e de fácil acesso.

Podem, até, experimentar
o mesmo princípio em casa,

e eu recomendo que o façam.

Peguem em alguns sacos herméticos
e encham-nos com azeite.

Tentem tirar todo o ar que consigam.

Agora peguem num prato de vidro
e coloquem-no num dos lados do saco.

Quando fizerem pressão,
verão o saco a contrair-se.

A intensidade da contração
é fácil de controlar.

Com um peso pequeno,
obtêm uma contracção pequena.

Com um peso médio,
conseguem uma contracção média.

E com um peso grande,
obtêm uma grande contracção.

Para os HASELs, a única diferença
é substituir a força da vossa mão,

ou o peso, por uma força eléctrica.

A sigla HASEL significa
"actuadores electrostáticos

"auto-regenerativos
hidraulicamente amplificados".

Aqui podem ver um esquema
chamado actuador Peano-HASEL,

um dos muitos "designs" possíveis.

Mais uma vez, peguem num polímero
flexível, como um saco hermético,

encham-no com um líquido isolante,
como o azeite,

e agora, em vez do prato de vidro,

coloquem um indutor eléctrico
num dos lados da bolsa.

Para criar algo mais parecido
com uma fibra muscular,

podem fazer a ligação entre várias bolsas

e colocar um peso de um lado.

De seguida, aplica-se voltagem.

O campo eléctrico começa, agora,
a actuar sobre o líquido,

desloca o líquido

e força o músculo a contrair-se.

Aqui podem ver
um actuador Peano-HASEL completo

e a forma como se expande e se contrai
quando a voltagem é aplicada.

Vendo de um lado,

podem ver as bolsas a ficarem
com uma forma mais cilíndrica,

como vimos no caso dos sacos herméticos.

Também podemos pôr algumas destas fibras
ao lado umas das outras

para criar algo que se pareça
ainda mais com um músculo

que também se contrai e se expande
de forma cruzada.

Estes HASELs estão a levantar um peso
cerca de 200 vezes mais pesado

do que o seu próprio peso.

Aqui vemos um dos nossos "designs"
mais recentes, chamados dónutes HASEL,

e como eles se expandem e se contraem.

Podem ser manobrados muito depressa,
atingindo velocidades sobre-humanas.

Têm força suficiente
até para saltar do chão.

(Risos)

No geral, os HASELs prometem
tornar-se a primeira tecnologia

que está ao nível — ou ultrapassa —
o desempenho do músculo biológico

sendo, ao mesmo tempo, compatível
com a produção em grande escala.

É também uma tecnologia muito recente.
E ainda estamos a começar.

Temos muitas ideias sobre
como melhorar drasticamente o desempenho

usando novos materiais e "designs"
para alcançar um nível de desempenho

superior ao do músculo biológico
e aos tradicionais motores eléctricos.

Avançando para "designs" mais complexos
e para robótica bio-inspirada,

vêem aqui o nosso escorpião artificial,

que pode usar a sua cauda
para caçar presas,

que, neste caso, é um balão de borracha.

(Risos)

Voltando à nossa inspiração inicial,

a versatilidade dos braços do polvo
e da tromba do elefante,

conseguimos agora construir
actuadores contínuos moles

que se aproximam cada vez mais
das capacidades dos reais.

Estou super entusiasmado
com as aplicações práticas

dos músculos artificiais HASEL.

Eles vão possibilitar
aparelhos robóticos moles

que podem melhorar a qualidade de vida.

A robótica mole permitirá uma nova geração
de próteses mais realistas

para pessoas que perderam
partes dos seus corpos.

Aqui podem ver alguns HASEL
no meu laboratório,

em testes preliminares,
a controlar uma prótese de um dedo.

Um dia, poderemos até fundir
os nossos corpos com partes robóticas.

Eu sei que isto parece muito assustador,
à primeira vista.

Mas quando penso nos meus avós

e na forma como ficaram
mais dependentes dos outros

para fazer tarefas simples do dia-a-dia,
como irem sozinhos ao quarto de banho,

eles sentem frequentemente
que estão a tornar-se um fardo.

Com a robótica mole, seremos capazes

de melhorar e recuperar
a agilidade e a destreza,

e, assim, ajudar os idosos
a manter a sua autonomia

durante mais tempo na sua vida.

Talvez possamos chamar-lhe
"robótica anti-envelhecimento",

ou até um novo patamar
da evolução humana.

Contrariamente às alternativas
tradicionais e rígidas,

os robôs moles semelhantes à realidade
serão seguros perto das pessoas

e irão ajudar-nos em casa.

A robótica mole é uma área muito recente,
estamos apenas a começar.

Espero que muitos jovens
de diferentes contextos

se juntem a nós
nesta entusiasmante viagem

e ajudem a modelar o futuro da robótica

apresentando novos conceitos
inspirados na natureza.

Se fizermos isto bem feito,

podemos melhorar
a qualidade de vida de todos nós.

Obrigado.

(Aplausos)