O que é um robô macio?

Você já viu um robô macio? Ele é flexível como um polvo, em oposição aos robôs tradicionais, que são feitos de segmentos duros, como um besouro. Esse é um novo tipo de robô que se move quando inflado, como um balão, ou o personagem Baymax, do filme Operação Big Hero™!

Ao contrário de um balão, os robôs macios têm todos os tipos de propósitos, o que significa que vêm em vários formatos e tamanhos. Quando os cientistas têm um objetivo em mente para um robô macio, eles precisam fazer alguns protótipos: um projeto inicial, ou alguns projetos, que ajudem os engenheiros a testar suas ideias sem gastar tempo e dinheiro para construir o produto final. Um bom exemplo seria construir um prédio de papelão para ver como fica antes de construir o prédio real, para checar se a ideia deles funciona. Protótipos são uma maneira rápida e barata de testar muitas ideias. Impressoras 3D permitem que cientistas criem protótipos rapidamente.

Neste artigo, você aprenderá sobre moldes impressos em 3D (um molde é qualquer objeto vazio que você pode preencher para criar um objeto com o formato desejado) e porque os cientistas chamados de roboticistas macios (que são aqueles que constroem e pesquisam robôs macios) os usam para fazer os robôs macios.

O tipo de impressora sobre o qual falaremos funciona derretendo plástico e espremendo-o através de um pequeno bico, como uma pistola de cola quente derretendo bastões de cola. Para exemplos de outros tipos de impressão 3D, veja este artigo ou [1]. Na impressão 3D, o código de computador diz ao bico para se mover acima de uma superfície plana, para estabelecer longas sequências de plástico derretido para criar um formato específico.

O que é a impressão 3D e como é usada para criar robôs macios?

Por que a impressão 3D é útil? Bem, as impressoras 3D podem transformar uma ideia em um objeto real de forma muito rápida e barata.

Antes do surgimento da impressão 3D, a criação de objetos envolvia pegar um bloco de algum material, como o plástico ou o metal, e cortá-lo com uma máquina, como um entalhador de pedra ou marceneiro faria. Isso é chamado de manufatura subtrativa: o processo de criar uma peça cortando a matéria-prima, ou usinagem, que é outro termo para manufatura subtrativa. Usinar algo é cortar um material em um formato desejado, porque isso subtrai material do bloco original.

A impressão 3D é um tipo de manufatura aditiva, na qual o processo de criar uma peça é construi-la a partir da matéria-prima. Quando um projeto é feito pela primeira vez, a manufatura subtrativa pode levar dias ou semanas e custar bastante. Se os roboticistas usarem impressoras 3D para criar robôs macios, conseguem alterar rapidamente seus projetos.

Eles podem descobrir que a pele do robô que acabaram de fazer é tão fina que estoura. Com a impressão 3D, podem simplesmente engrossar a camada superficial do design no computador, enviar o projeto para a impressora e trabalhar em outra coisa enquanto imprimem. Alguns designs terminam de ser impressos em apenas algumas horas. Mas o que os roboticistas imprimem?

Alguns roboticistas de materiais macios imprimem diretamente seus robôs flexíveis. Eles possuem impressoras especiais que podem imprimir materiais muito macios. Algumas das formas produzidas pelo nosso grupo de roboticistas de materiais macios não funcionam nessas impressoras. Por isso, nossa equipe, e a maioria dos outros roboticistas de materiais macios, não imprimimos diretamente nossos robôs macios. Em vez disso, imprimimos moldes [2, 3].

Um molde é algo em que se pode derramar ou espremer material para fazer o objeto que queremos. (Você já pode ter visto alguém moldar chocolate no formato de um coelho ou colocar areia em um balde para moldá-lo em um castelo). Como imprimimos em 3D os moldes usados ​​para fazer nossos robôs, eles podem ter qualquer formato que desejarmos.

Assim como despejamos massa em uma forma de bolo para assar, despejamos borracha líquida em um molde e a deixamos solidificar. Em vez de assar a borracha, o processo é chamado de cura.

Isso ocorre quando dois materiais líquidos são colocados juntos e lentamente se tornam sólidos. Este processo não é secagem (água deixando um líquido). Em vez disso, há uma mudança química que acontece quando os dois líquidos são colocados juntos, o que os torna sólidos. Você pode ter visto isso com colas de duas partes, como a cola epóxi. Assim que a borracha líquida cura, abrimos o molde e retiramos o robô. A borracha mais popular usada para fazer robôs macios é a borracha de silicone, uma borracha barata que pode esticar até 10 vezes o seu tamanho original! A borracha de silicone é usada em produtos como espátulas de cozinha e até mesmo chupetas de bebê.

Quando a impressão 3D não é útil?

Embora a impressão 3D seja muito útil para roboticistas de materiais flexíveis, ela tem desvantagens. As impressoras 3D comprimem o plástico em linhas e as usam para formar camadas, como na Figura 1. Isso faz com que o molde impresso em 3D tenha uma superfície áspera quando observado de perto (Figura 2A). Assim como as ranhuras em uma forma de muffin dão a ele suas ranhuras, nossos moldes impressos em 3D conferem aos nossos robôs de materiais flexíveis uma superfície áspera que pode ser vista quando observado de perto. Isso ocorre porque a impressão das linhas e camadas impressas em 3D que compõem o molde é deixada no robô. Isso torna as paredes mais fracas e mais propensas a quebrar de alguma forma ou até mesmo estourar (Figura 2C) [4]. Para entender isso, imprima e siga as instruções na Figura 3.

O papel com um pequeno corte foi muito mais fácil de quebrar, certo? Ele deveria ter se rasgado no corte. Isso ocorre porque é mais fácil alongar um pequeno rasgo do que começar um novo. Esses rasgos podem acontecer de uma só vez, como com seus pedaços de papel, ou lentamente ao longo do tempo, conforme nossos robôs são inflados e desinflados repetidamente. Esta é a razão pela qual as extremidades dos pacotes de ketchup têm o formato de dentes de serra. Cada formato de “V” é um local onde um rasgo pode facilmente começar, tornando o pacote de ketchup mais fácil de abrir. Esta é a maior desvantagem de usar moldes impressos em 3D para robôs macios: as cristas deixadas pela impressora 3D dão aos rasgos um lugar para começar. Como você pode ver na Figura 2B, a pele de um robô macio feito a partir de um molde impresso em 3D pode se parecer muito com a ponta de um pacote de ketchup.

De que outras formas podemos fazer nossos moldes?

Se não podemos imprimir nosso molde em 3D, quais as alternativas? Lembra da manufatura subtrativa do início deste artigo? É exatamente isso que nossa equipe usa [5]! Com a ajuda de máquinas automatizadas e ferramentas precisas, usinamos um bloco de metal em um molde. Esse tipo de manufatura subtrativa é mais preciso do que a impressão 3D, mas, mais importante, produz moldes com superfícies muito mais lisas.

Nas Figuras 2B e D, o robô macio feito com um molde de metal é muito mais liso do que o robô feito em um molde impresso em 3D. Outra vantagem dos moldes de metal é que eles podem produzir robôs mais consistentes. Embora cada robô macio feito a partir de um único molde seja ligeiramente diferente, o molde de metal produz robôs muito mais consistentes do que os moldes impressos em 3D. Como mencionamos no início, cortar um molde de um bloco de metal é caro e leva tempo, então primeiro fazemos um molde impresso em 3D para testar nossa ideia. Podemos então fazer alterações no molde e imprimir outro. Continuamos fazendo isso até termos o design definido.

Os robôs feitos nos moldes impressos em 3D funcionam bem o suficiente para descobrir quais alterações precisam ser feitas no design do molde. Uma vez definido o design, investimos dinheiro e tempo para usinar um molde de metal. Isso significa que, a princípio, podemos encontrar e corrigir rapidamente quaisquer problemas em nosso design antes de gastar recursos para fazer um molde de metal para um robô mais robusto.

A impressão 3D é uma tecnologia útil para roboticistas que trabalham com robôs macios. Ela permite a eles experimentarem, de forma rápida, muitos designs, sem gastar muito tempo e dinheiro. Ela não é perfeita: os defeitos que ela causa nos robôs macios torna-os mais fracos. Por isso, muitas vezes imprimimos nossos primeiros projetos de molde em 3D e, em seguida, usinamos um molde após concluir as alterações.

Se você quiser começar a projetar e fabricar coisas, há muitas opções. Primeiro, quando projetamos algo, usamos um programa de computador que nos permite transformar desenhos em formas 3D. Isso se chama modelagem computacional. O Fusion 360 é um programa de modelagem gratuito que você pode usar para projetar o que quiser. Usamos programas como o Fusion 360 para projetar nossos moldes de robôs macios, mas você pode fazer qualquer coisa, inclusive algo que ninguém jamais imaginou! Outro programa, chamado slicer, corta o modelo em camadas e informa à impressora 3D onde colocar o plástico. Muitas bibliotecas e escolas têm impressoras 3D. Você pode imprimir seus projetos lá. Também pode haver uma oficina de usinagem em sua cidade que esteja disposta a lhe proporcionar uma visita.

O campo da robótica macia está em constante aprimoramento, com muito espaço para designs e soluções criativas. Agora que você sabe um pouco sobre como eles são feitos, talvez use os métodos que descrevemos para criar e aprimorar seu próprio robô macio!

Glossário

Robô Macio: Um robô flexível como um polvo, em oposição aos robôs tradicionais, que são feitos de segmentos rígidos como um besouro.

Protótipo: Um projeto inicial ou alguns projetos que ajudam os engenheiros a testar suas ideias sem gastar tempo e dinheiro para construir o produto final. Um bom exemplo seria construir um prédio de papelão para ver como fica antes de construir o prédio propriamente dito.

Molde: Um molde é qualquer objeto vazio que você pode preencher para criar um objeto com o formato desejado. Alguns exemplos são moldes de massinha de modelar, moldes usados ​​para fazer coelhos de chocolate e baldes para fazer castelos de areia.

Roboticista Macio: Alguém que constrói e pesquisa robôs macios.

Manufatura Subtrativa: O processo de criação de uma peça cortando a matéria-prima.

Usinar: Outro termo para manufatura subtrativa. Usinar algo é cortar um material no formato desejado.

Manufatura Aditiva: O processo de criação de uma peça a partir da matéria-prima.

Cura: É quando dois materiais líquidos são unidos e solidificam lentamente. Este processo não é secagem (água se transformando em líquido). Em vez disso, ocorre uma transformação química quando os dois líquidos são unidos, o que os transforma em sólidos. Você já deve ter visto isso com colas de dois componentes, como a cola epóxi.

Referências

[1] Wong, K. V., e Hernandez, A. 2012. A review of additive manufacturing. ISRN Mech. Eng. 2012:208760. doi: 10.5402/2012/208760

[2] Ilievski, F., Mazzeo, A. D., Shepherd, R. F., Chen, X., e Whitesides, G. M. 2011. Soft robotics for chemists. Angewandte Chemie Int. Ed. 50:1890–5. doi: 10.1002/anie.201006464

[3] Shepherd, R. F., Ilievski, F., Choi, W., Morin, S. A., Stokes, A. A., Mazzeo, A. D., et al. 2011. Multigait soft robot. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108:20400–3. doi: 10.1073/pnas.1116564108

[4] Bui, P. D. H., Prugh, B., Padilla, A. M. E., Schell, C., Keller, M., e Schultz, J. A. 2023. Endurance tests for a fabric reinforced inflatable soft actuator. Front. Mater. 10:1112540. doi: 10.3389/fmats.2023.1112540

[5] Williamson, J. G., e Schultz, J. 2023. “Stretchable optical waveguide sensor suitability for wrinkle degree detection in soft robots”, in 2023 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft) (Singapore). p. 1–6.

 

Citação

Williamson JG, Schell C, Keller M e Schultz J (2024) Soft Robotics: If You Can Dream It, Can You Print It?. Front. Young Minds. 12:1401789. doi: 10.3389/frym.2024.1401789

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