Músculos artificiais para os robôs do futuro

Os cérebros dos robôs estão ficando cada vez mais inteligentes, mas o corpo deles ainda é desajeitado e pesado. O engenheiro mecânico Christoph Keplinger está criando uma nova geração de robôs moles e ágeis inspirados em uma obra-prima da evolução: o músculo biológico. Observe esses "músculos artificiais" se expandirem e contraírem exatamente como os nossos e atingirem velocidades sobre-humanas, e descubra como eles podem proporcionar próteses mais fortes e eficientes que membros humanos.

Em 2015,

25 times do mundo inteiro
competiram para construir robôs

que respondessem a desastres
e realizassem inúmeras tarefas,

como usar uma ferramenta elétrica,
trabalhar em um terreno irregular,

e dirigir um carro.

Isso tudo soa impressionante, e de fato é,

mas olhem para o corpo
do robô vencedor, HUBO.

Aqui, HUBO está tentando sair do carro,

mas fiquem sabendo

que o vídeo foi acelerado três vezes.

(Risos)

HUBO, do time KAIST da Coreia,
é um robô de última geração

com capacidades impressionantes,

mas o corpo dele não parece tão diferente
dos robôs que vimos há algumas décadas.

Se observamos outros robôs da competição,

vemos que os movimentos deles
ainda parecem bem robóticos.

Seus corpos são estruturas
mecânicas complexas,

feitas de materiais rígidos

como metal e motores
tradicionais, duros e elétricos.

Eles com certeza não foram feitos

para serem de baixo custo,
seguros para as pessoas

e adaptáveis a desafios imprevisíveis.

Fizemos um bom progresso
no cérebro dos robôs,

mas o corpo deles ainda é primitivo.

Essa é a minha filha Nadia.

Ela tem só cinco anos de idade

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

(Risos)

Ela também se balança
facilmente em trepa-trepas,

muito melhor do que qualquer
robô humanoide atual.

Em contraste com o HUBO,

o corpo humano faz uso extensivo
de materiais moles e deformáveis

como músculos e pele.

Precisamos de uma nova geração
de corpo de robôs

que sejam inspirados pela elegância,
eficiência e pelos materiais moles

dos designs que encontrados na natureza.

De fato,

isso tem se transformado na ideia central

de um novo campo de pesquisa
chamado robótica mole.

Meu grupo de pesquisa
e colaboradores de todo o mundo

estão usando componentes leves
inspirados nos músculos e na pele

para construir robôs
com agilidade e destreza

que se aproximem cada vez mais

às maravilhosas capacidades
dos organismos encontrados na natureza.

Sempre fui particularmente inspirado
pelo músculo biológico.

Isso não é surpreendente.

Também sou austríaco, e sei que lembro
um pouco o Arnold, o Exterminador.

(Risos)

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

Ele se cura depois de dano

e é intrinsecamente integrado
aos neurônios sensoriais

para resposta aos movimentos
e ao ambiente.

Pode se contrair rápido o suficiente
para dar energia às rápidas asas

de um beija-flor;

pode crescer forte o suficiente
para mover um elefante;

e é suficientemente adaptável para ser
usado nos braços extremamente versáteis

de um polvo,

um animal que consegue espremer
seu corpo através de buracos apertados.

Atuadores são para os robôs
o que os músculos são para os animais:

componentes-chaves para o corpo

que permitem movimentos
e interações com o mundo.

Se conseguimos construir atuadores moles,

ou músculos artificiais,

que sejam tão versáteis, adaptáveis
com o mesmo desempenho que o autêntico,

poderemos construir quase
qualquer tipo de robô

para quase todos os usos.

Não é surpresa que pessoas
tenham tendado, por muitas décadas,

replicar as maravilhosas
capacidades dos músculos,

mas tem sido muito difícil.

Dez anos atrás,

quando fiz meu pós-doutorado na Áustria,

eu e meus colegas redescobrimos

o que é provavelmente uma das primeiras
publicações sobre músculos artificiais,

publicada em 1880,

sobre as mudanças no formato
e no volume de corpos dielétricos

causados pela eletricidade,

escrita pelo físico alemão
Wilhelm Röntgen.

A maioria de vocês o conhece
pela descoberta do raio-x.

Seguindo as suas instruções,
usamos um par de agulhas.

As conectamos a uma fonte de alta voltagem

e pusemos perto de um pedaço
de borracha transparente,

previamente esticada
em uma moldura plástica.

Quando ligamos a voltagem,

a borracha deformou-se,

e como no bíceps flexiona o nosso braço,

a borracha flexionou a moldura plástica.

Parece magia.

As agulhas nem tocam a borracha.

Ter duas agulhas dessas
não é um jeito prático

de operar músculos artificiais,

mas esse maravilhoso experimento
me prendeu nesse tópico.

Eu queria criar novos jeitos
de construir músculos artificiais

que funcionassem bem
em aplicações da vida real.

Nos anos seguintes, trabalhei
em várias tecnologias diferentes

que mostraram-se promissoras,

mas todas ainda tinham desafios
pendentes difíceis de serem superados.

Em 2015,

quando comecei a pesquisar
na Universidade do Colorado,

eu queria experimentar uma nova área.

Eu queria combinar
a alta velocidade e a eficiência

de atuadores elétricos

com a versatilidade
de atuadores leves e fluidos.

Então, eu pensei que talvez pudesse tentar
usar ciência velha de uma maneira nova.

O diagrama que veem aqui

mostra um experimento chamado
tensor de Maxwell.

Se usamos duas placas de metal

e as colocamos num contêiner
cheio de óleo,

e ligamos alguma voltagem,

o tensor de Maxwell força o óleo
para o meio das duas placas,

e é isso que veem aqui.

A ideia central era:

"Será que conseguimos usar esse efeito
para empurrar o óleo

contido em estruturas moles que esticam?"

E sim, isso funcionou
surpreendentemente bem.

Honestamente, muito melhor
do que eu esperava.

Com minha ótima equipe de alunos,
usamos essa ideia como ponto de partida

para criar uma nova tecnologia
chamada músculos artificiais HASEL.

HASELs são gentis o suficiente
para recolher framboesas

sem estragá-las.

Eles podem se expandir e contrair
como um músculo real.

E podem ser operados mais rápido que eles.

Também podem ser aumentados
para suportar maiores forças.

Aqui podemos vê-los levantando
um galão cheio de água.

Eles podem ser usados
para dirigir um braço robótico,

e até mesmo sentir sozinhos suas posições.

HASELs podem ser usados
para movimentos bastante precisos,

mas também podem realizar
movimentos fluidos e musculares

e impulsos de força
para arremessar uma bola ao ar.

Quando submerso em óleo,

os músculos artificiais HASEL
podem se tornar invisíveis.

Então como o músculo artificial
HASEL funciona?

Talvez fiquem surpresos.

Ele baseia-se em materiais
baratos e de fácil acesso.

Vocês podem até testar, e recomendo,

o princípio central em casa.

Peguem alguns sacos Ziploc
e encham com azeite de oliva.

Tentem tirar o máximo
possível de bolhas de ar.

Então peguem um prato de vidro
e coloquem de um lado do saco.

Ao pressioná-lo, verão o saco flexionando.

O tamanho da flexão é fácil de controlar.

Para algo que pesa pouco,
a flexão é pequena.

Com um peso médio,
temos uma flexão média.

Com algo pesado,
temos uma grande flexão.

Para os HASELs, a única mudança é
substituir a força ou o peso de sua mão

por uma força elétrica.

HASEL significa "Hydraulically Amplified
Self-Healing Electrostatic Actuators".

Aqui podemos ver a geometria
chamada atuadores Peano-HASEL,

um dos vários designs possíveis.

De novo, usamos um polímero flexível,
como o saco Ziploc,

o enchemos com algum líquido isolante,
como azeite de oliva,

e agora, em vez de um prato de vidro,

colocamos um condutor elétrico
de um lado do saco.

Para criar algo mais semelhante
a uma fibra muscular,

podemos conectar alguns sacos

e anexar um peso em um dos lados.

Depois, aplicamos voltagem.

Agora, um campo elétrico começa
a agir sobre o líquido.

Ele desloca o líquido

e força o músculo a contrair-se.

Aqui podemos ver um atuador
HASEL-Peano completo

e como ele se expande e contrai
quando se aplica voltagem.

Visto de lado,

podemos ver os sacos tomando
um formato mais cilíndrico

como vimos com os sacos Ziploc.

Também podemos colocar essas
fibras musculares do lado uma da outra

para criar algo ainda mais
parecido com um músculo

e que também se expande e contrai.

Estes HASELs estão levantando um peso
aproximadamente 200 vezes

mais pesado que eles.

Aqui vemos um de nossos novos designs,
chamado HASEL donut quadrante

e como eles expandem e contraem.

Eles operados muito rapidamente,
atingindo velocidades super-humanas.

Eles têm força até mesmo para pular.

(Risos)

Sobretudo, HASEL promete
se tornar a primeira tecnologia

que supera o desempenho
do músculo biológico

sendo compatível com
a produção em larga escala.

É também uma tecnologia muito nova,
estamos apenas começando.

Temos muitas ideias de como
melhorar seu desempenho

usando novos materiais e designs
para atingir um nível de desempenho

além do músculo biológico e tradicionais
motores elétricos e rígidos.

Avançando para designs mais complexos
e inspirados na biologia,

aqui vemos nosso escorpião artificial

que usa o rabo para caçar presas.

Nesse caso, um balão de borracha.

(Risos)

Voltando à nossa inspiração inicial,

a versatilidade dos braços do polvo
e da tromba de elefantes,

agora conseguimos construir
atuadores moles e contínuos

que chegam cada vez mais perto
das capacidades reais de um músculo.

Estou muito animado
com as aplicações práticas

dos músculos artificiais HASEL.

Eles proporcionarão
aparelhos robóticos moles

que podem melhorar a qualidade de vida.

A robótica mole possibilitará
uma nova geração de próteses realistas

para pessoas que sofreram amputações.

Aqui vemos alguns HASELs
no meu laboratório

operando uma prótese de dedo
em testes iniciais.

Algum dia, poderemos talvez até fundir
o nosso corpo com partes robóticas.

Pode parecer assustador à primeira vista.

Mas quando penso nos meus avós

e em como eles ficaram dependentes
de outras pessoas

para realizar atividades diárias,
como ir ao banheiro,

eles sentem com frequência que são fardos.

Com a robótica mole,
poderemos melhorar e reestabelecer

agilidade e destreza,

e assim ajudar pessoas mais velhas
a manterem sua autonomia

por mais tempo.

Talvez dê para chamar isso
de "robótica anti-idade"

ou até mesmo do próximo passo
na evolução humana.

Diferentemente da sua alternativa dura,

robôs moles poderão operar com segurança
perto de pessoas e nos ajudar em casa.

A robótica mole é um campo muito novo,
estamos apenas começando.

Espero que jovens de diferentes contextos
se juntem a essa jornada emocionante

e ajudem a moldar o futuro da robótica

introduzindo novos conceitos
inspirados na natureza.

Se acertarmos,

podemos melhorar a qualidade
de vida de todos nós.

Obrigado.

(Aplausos)