Sarah Downs equipa robôs da NASA com habilidades de montagem

Este ano, o estudante de pós-graduação do IEEE realizou esse sonho. Para seu projeto final como candidata ao mestrado em engenharia elétrica na Universidade de Tulsa, ela trabalhou em um algoritmo em colaboração com a NASA e a Força Aérea dos EUA.

O algoritmo que ela desenvolveu permite que um robô que monta satélites no espaço insira uma antena no local correto, resolvendo o clássico problema da robótica de inserir um objeto em seu orifício correspondente.

Agora um Ph.D. estudante de engenharia elétrica na Texas A&M University em College Station, Downs continua sua pesquisa sobre montagem e manipulação de satélites “mas em uma escala muito maior”, diz ela.

Seguindo uma paixão de infância

Downs cresceu na área de Tulsa. Seu pai, que morreu de ataque cardíaco em 2015, quando ela tinha 13 anos, era consultor de segurança na indústria de petróleo e gás. A mãe dela ficou em casa para cuidar do irmão, que tem autismo. Depois que seu pai morreu, sua mãe voltou para a faculdade para se formar em administração para poder sustentar a família.

“Não tínhamos muita renda e minha mãe estava sempre preocupada com dinheiro”, diz Downs. “Isso me deixou mais consciente de ter uma carreira de sucesso, no sentido monetário.”

A partir de então, sempre que considerava sua futura carreira, ter um salário decente para sustentar a família estava no topo de sua lista.

Ao seguir uma carreira em robótica, diz ela, ela pode seguir sua paixão e ao mesmo tempo obter segurança financeira.

No ensino médio, Downs ingressou no primeiro clube de robótica, onde se sentiu atraída pelos componentes elétricos usados ​​nas máquinas que ela e seus colegas construíram.

Durante os dois últimos anos do ensino médio, ela participou de um programa de extensão na Tulsa Tech, uma escola de treinamento. Ela passava metade do dia nas aulas do ensino médio e a outra metade fazendo cursos de engenharia na escola profissionalizante.

Depois de se formar em 2020, ela aceitou bolsas de estudo para cursar a Universidade de Tulsa. Ela começou seu primeiro ano na UTulsa sem saber se queria se formar em engenharia elétrica ou mecânica, diz ela, acrescentando que seu amor por trabalhar com pequenos sistemas a ajudou a escolher EE.

Para seu projeto final do último ano, ela e dois de seus colegas projetaram uma exposição do módulo lunar para o Museu Aéreo e Espacial de Tulsa. Eles criaram um jogo interativo que simula missões nas superfícies lunares e marcianas. Quatro corpos celestes – a Lua, Vênus, Marte e Titã – estão listados em três monitores de computador. Usando um controlador de jogo, os visitantes do museu podem explorar a superfície virtual de cada um. A exposição ainda está em exibição.

Downs obteve seu diploma de bacharel em engenharia elétrica em 2024 e continuou seus estudos no programa de mestrado em EE da universidade.

Mais e menos complicado do que as pessoas pensam

Quando Downs iniciou seus estudos de pós-graduação, ela deveria fazer parte de um projeto de robótica da NASA por dois anos. Mas quando um atraso no financiamento governamental adiou o início do projeto, ela passou o primeiro ano no Instituto de Robótica e Autonomia da escola, então recém-inaugurado. Seu foco principal é o desenvolvimento de robôs para auxiliar pessoas com desafios de mobilidade.

Inspirada por sua avó, que estava em uma cadeira de rodas devido a uma artrite grave, Downs desenvolveu um braço robótico que ajuda idosos e cadeirantes a viver de forma independente. O braço foi capaz de identificar e colocar objetos nos locais apropriados dentro de casa, como descarregar certos mantimentos de uma sacola de compras e colocá-los em uma prateleira ou em recipientes separados.

Antes do início de seu segundo ano em 2025, o projeto da NASA finalmente garantiu financiamento governamental. Ela desenvolveu um robô que realiza a tarefa de colocar o buraco sem usar nenhum sistema de visão. Normalmente, as câmeras ajudam a orientar o trabalho de montagem de satélites dos robôs. Mas no ambiente hostil e remoto do espaço sideral, as câmeras podem funcionar mal ou sofrer atrasos.

Em vez de usar câmeras, o braço robótico de Downs implanta um processo de inserção baseado em força para detectar a posição e orientação de objetos no ambiente do braço. O robô segura frouxamente uma antena e, com um sensor de torque em sua pinça, “sente” o feedback de força de onde o satélite e a antena estão em relação um ao outro. O robô então guia o conjunto da antena para uma abertura alvo em seu satélite e mantém a posição durante a adesão.

Para aumentar a complexidade, o robô executa sua tarefa em gravidade zero.

“Sem gravidade, agora é preciso considerar os torques de reação do braço no satélite para evitar lançá-lo no espaço”, diz Downs. Qualquer movimento do braço durante o processo de inserção, especialmente devido ao aumento de forças, poderia fazer com que o satélite continuasse a se mover naquela direção.

Para combater isso, Downs está realizando cálculos para o projeto para direcionar impulsos reversos direcionados e contrariar a força dos movimentos do robô.

Seu projeto de pós-graduação captura a natureza simples, porém complexa, da robótica que ela considera fascinante, diz ela.

“Acho que os robôs são mais e menos complicados do que as pessoas pensam”, diz ela. “Na verdade, tudo que você precisa para começar a programar um robô são seus parâmetros Denavit-Hartenberg, e você pode fazer muito com isso”, diz ela, referenciando os quatro valores usados ​​para descrever a posição e orientação de um braço robótico e manipuladores. Mesmo com diferentes garras e graus de liberdade, “fundamentalmente, todos os robôs manipuladores começam aí”, diz ela.

“Mas”, acrescenta ela, “ainda estamos aprendendo muito sobre como os robôs interagem com seu ambiente. Mesmo algo simples para nós, como manipular uma caneta, ainda é incrivelmente complexo para os robôs.”

Downs está concluindo sua tese de doutorado no projeto Robotic Space Simulator no Laboratório de Design de Robótica e Automação (RAD) da Texas A&M, especializado no desenvolvimento de máquinas que podem sobreviver em ambientes extremos. Colabora com a NASA.

Seu orientador de tese é Robert Ambrose, um veterano da NASA que lançou o RAD Lab em 2022. O membro do IEEE deverá atuar como diretor associado do Instituto Espacial da escola, com inauguração prevista para este ano em Houston. O centro de pesquisa está sendo construído próximo ao Centro Espacial Johnson.

Depois de obter seu doutorado, diz Downs, ela espera um dia trabalhar para a NASA, desenvolvendo veículos espaciais que coletam amostras de Marte ou braços robóticos que realizam tarefas em estações espaciais.

Para saber mais sobre robôs, confira Espectro IEEEguia.

Saindo da bolha da engenharia

Downs ingressou no IEEE em 2020 como calouro na UTulsa para se envolver mais em eventos de engenharia elétrica no campus. Na altura, a pandemia da COVID-19 impediu que clubes e organizações se reunissem pessoalmente.

Ela era ativa no ramo estudantil IEEE de sua escola e foi eleita presidente para 2022–2024. Sob sua liderança, a filial deixou de realizar alguns eventos para sediar um a cada duas semanas.

Eles incluíram sessões de almoço e aprendizado e jantares que conectaram estudantes com engenheiros profissionais e ex-alunos da universidade. Downs também organizou workshops práticos sobre soldagem, impressão 3D, modelagem CAD e construção de currículos.

Seus esforços ajudaram a aumentar o número de membros do conselho executivo da filial de cerca de cinco alunos para 25 em 2023. No mesmo ano, sua oficina de soldagem atraiu cerca de 80 alunos.

Ela diz que gostou de trabalhar com o IEEE, especialmente “envolver-se com ex-alunos e aprender com engenheiros”.

O IEEE é um excelente recurso para oportunidades de networking, diz ela, observando que “durante a pandemia da COVID-19, os estudantes de engenharia permaneceram nas suas bolhas”. Os eventos do IEEE ajudaram os alunos a fazer conexões que poderiam ser úteis para eles, diz ela.

“O networking é muito importante, especialmente no difícil mercado de trabalho de hoje”, diz ela. “Tem muito a ver com quem você conhece e como as pessoas observam sua ética de trabalho.”

Downs, que agora atua como consultora de pós-graduação do IEEE para o ramo estudantil da UTulsa, diz que viu em primeira mão como a rede de ramos estudantis da escola beneficiou seus membros estudantes.

“Muitos deles encontraram emprego” por causa do IEEE, diz ela.