MIT e EPFL constroem pássaros robôs que voam, mergulham e nadam debaixo d’água

Observar um pássaro mergulhador desaparecer debaixo d’água pode parecer quase surreal. Em um momento ele cruza o céu. Segundos depois, ele nada atrás da presa antes de retornar ao ar. Cerca de 100 espécies de aves podem circular entre esses dois ambientes. Os engenheiros descobriram que a energia natural é incrivelmente difícil de recriar em pequena escala.

Agora, pesquisadores do MIT e do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne, conhecido como EPFL, desenvolveram um pássaro robótico que pode completar toda a viagem. O robô de 8,8 onças voa, mergulha e nada abaixo da superfície. Em seguida, ele retorna ao ar usando o mesmo conjunto de asas batendo.

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Os pesquisadores dizem que o robô de US$ 300 é a primeira máquina em escala de pássaro a completar o ciclo ar-água-ar usando apenas o bater das asas. (Rafael Zufferi)

De acordo com a equipe de pesquisa, este é o primeiro robô em escala de pássaro a completar todo o ciclo apenas com movimentos de asas. A pesquisa é publicada na revista Science.

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Como este pássaro robô nada e voa debaixo d’água

A maioria dos robôs anfíbios usa sistemas separados para ar e água. Este pássaro mecânico adota uma abordagem simples. O robô depende de asas batendo em vez de hélices. Ele completa seu lançamento na água sem pernas ou um complexo mecanismo de dobramento de asas.

Esse projeto apresenta um grande problema de engenharia. A água é cerca de 800 vezes mais densa que o ar, por isso as asas encontram muito mais resistência quando entram na água. Para lidar com essa mudança dramática, o robô ajusta sua velocidade de oscilação. Suas asas flexíveis também mudam de formato à medida que a pressão circundante aumenta.

Asas flexíveis ajudam o robô a se mover na água

No ar, o robô pode bater as asas até 11 vezes por segundo. Debaixo d’água, sua taxa de oscilação varia de 0,1 a 6 vezes por segundo. Enquanto isso, a pressão da água pode dobrar as asas em até 90%. Essa flexibilidade encurta a varredura efetiva de cada curso e reduz a carga do motor.

As mesmas asas tornam-se mais eficazes para voar à medida que o robô atinge o ar. Os pesquisadores deixaram a máquina excitada de forma neutra. Como resultado, ele não sobe nem afunda sozinho enquanto está debaixo d’água. Esse equilíbrio ajuda a conservar a energia da bateria, pois o robô gasta menos energia lutando contra a flutuabilidade.

Por que a decolagem do pássaro robô na água é importante

A parte mais difícil começa quando o robô tenta sair da água. Ele completa a transição em cerca de um segundo, usando cerca de oito a 10 batidas de asas. No entanto, a manobra requer uma combinação cuidadosa de flexão da asa, posicionamento da cauda e ângulo de lançamento.

Os pesquisadores descobriram que asas moderadamente flexíveis funcionam melhor. Uma asa rígida luta para se adaptar debaixo d’água, enquanto o excesso de flexibilidade reduz a potência necessária para a decolagem. A cauda também deve ser curta e próxima ao corpo. Caso contrário, ele pode arrastar-se pela água e puxar o robô de volta para baixo. Um ângulo de saída próximo de 70 graus produziu os resultados mais fortes. Uma abordagem mais plana arrasta muita cauda. Um lançamento quase vertical pode empurrar a ponta do robô de volta para a água.

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Os cientistas prevêem versões futuras de pássaros robóticos monitorando cursos de água, coletando amostras e monitorando a vida marinha. (Rafael Zufferi)

O que os pássaros robôs podem ensinar aos cientistas

A máquina também oferece aos cientistas uma nova maneira de estudar aves mergulhadoras reais. Acompanhar os movimentos de uma ave viva abaixo da superfície pode ser difícil. Com um robô, os pesquisadores podem ajustar um recurso e medir como essa mudança afeta o desempenho.

Por exemplo, muitas aves mergulhadoras reduzem a envergadura enquanto nadam. Os pesquisadores frequentemente associam esse comportamento ao menor uso de energia. Os resultados do robô sugerem que movimentos curtos debaixo d’água podem ajudar os pássaros a acelerar.

A equipe comparou a eficiência de propulsão da máquina com a de pássaros reais. Ambos se enquadraram na faixa de números de Strohl de 0,2 a 0,4, que os pesquisadores associam ao movimento eficiente. Porém, o tamanho do corpo pode alterar a técnica de lançamento. Aves mergulhadoras pesadas podem usar as pernas para sair da água, enquanto este robô leve depende inteiramente de suas asas.

Por que os robôs podem preferir voar em vez de nadar

O modo de deslocamento mais eficiente do robô depende da distância à frente. De acordo com os dados da equipe, Yatra usa menos energia para voar quando ultrapassa cerca de 15 metros. Para viagens mais curtas, ficar debaixo d’água pode fazer mais sentido.

A água cria grande resistência, por isso nadar longas distâncias torna-se cada vez mais caro. Um futuro robô poderia usar essa diferença para planejar sua rota. Ele pode nadar até um alvo próximo, emergir e depois voar para um local mais distante.

Como um pássaro-robô de US$ 300 pode monitorar cursos de água

O protótipo custa cerca de US$ 300 em materiais e usa peças que os pesquisadores podem adquirir comercialmente. A equipe também lançou arquivos CAD abertos para o projeto. Isto poderia permitir que universidades e outros fabricantes com acesso a uma impressora 3D reproduzissem o design.

Finalmente, os pássaros robóticos podem ajudar os cientistas a monitorar cursos de água e ambientes costeiros. Os pesquisadores imaginam que ele será lançado da costa ou de um barco. Ele pode voar até uma área de interesse, mergulhar para coletar uma amostra e depois retornar com os dados.

Possíveis missões poderiam incluir a realização de medições perto de um iceberg ou a observação da vida marinha a uma distância segura. Bater asas também pode oferecer vantagens práticas nesse ambiente. Eles evitam as pás expostas da hélice de alta velocidade e podem fazer menos barulho perto dos animais. Debaixo d’água, as pás flexíveis podem suportar melhor o contato com detritos do que as hélices rígidas.

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Pesquisadores do MIT e da EPFL desenvolveram um pássaro robótico que pode voar, mergulhar, nadar e retornar ao ar usando asas flexíveis. (Rafael Zufferi)

O que os robôs precisam antes das missões no mundo real

O protótipo atual ainda depende do controle humano durante partes importantes de sua jornada. Os pesquisadores operaram manualmente o robô durante vários testes. Temporizadores ou gatilhos básicos também ativam partes de seus comportamentos de mergulho e natação.

A navegação autônoma representa o próximo grande passo. O robô deve reconhecer o seu entorno e controlar cada transição sem assistência humana. A água salgada cria outra barreira. Os testes concentraram-se em água doce, pelo que as versões futuras necessitarão de uma protecção mais forte contra a corrosão. Maior alcance e maior resistência tornarão o robô mais útil fora de testes controlados.

Isso é o que você quer dizer

Você provavelmente não verá pássaros robóticos patrulhando a praia local tão cedo. Ainda assim, este projeto mostra como os drones do futuro podem alcançar locais que as máquinas voadoras tradicionais têm dificuldade em explorar. Um único robô pode coletar dados acima da água antes de fazer medições abaixo da superfície. Esta flexibilidade pode reduzir a necessidade de aeronaves e veículos subaquáticos separados.

O baixo consumo de material também é importante. Pequenas equipes de pesquisa podem experimentar designs sem investir em plataformas personalizadas caras. À medida que a navegação e o desempenho da bateria melhoram, essas máquinas poderão tornar o monitoramento ambiental mais acessível.

Maneira original do carrinho

O que se destaca aqui é quanto trabalho os pesquisadores obtêm com um conjunto flexível de asas. O robô muda seu movimento de bater, enquanto as asas se dobram naturalmente para oferecer resistência subaquática. O lançamento no ar o torna mais do que outros drones inspirados em pássaros. Conseguir esta transição requer rigidez da asa direita e um ângulo de saída cuidadosamente controlado. O protótipo ainda precisa de controle autônomo e melhor proteção para água salgada. Ainda assim, o custo do componente, de US$ 300, e o design aberto poderiam torná-lo uma base acessível para outros pesquisadores.

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