Uma mão presa à ponta de um braço é um dado adquirido para a maioria dos humanos, mas e se os robôs não tivessem que seguir as mesmas regras que nós? Pesquisadores da ETH Zurich transformaram uma mão robótica pronta para uso em um robô completamente independente que anda na ponta dos dedos enquanto usa esses mesmos dedos para manipular o ambiente.
Além de ser o acessório de Halloween perfeito para quem planeja se vestir como um membro da Família Addams – que estava acompanhado por uma mão desencarnada chamada Thing – os pesquisadores dizem que a abordagem pode tornar possível operar controles e manusear objetos em lugares que um braço robótico tradicional não consegue alcançar.
Laboratório de Robótica Soft, ETH Zurique/YouTube
Amirhossein Kazemipour, Ph.D. O candidato do Soft Robotics Lab da ETH Zurique, na Suíça, que liderou o projeto, acredita que esta mão pode ser útil em contextos como tarefas complicadas de manutenção em ambientes industriais ou em busca e salvamento, onde um robô pode separar a mão para explorar espaços confinados demasiado apertados para o resto do seu corpo. De forma mais ampla, diz ele, o trabalho é um passo em direção a uma nova abordagem da robótica, na qual as partes do corpo não estão confinadas a uma única função.
“Eu queria ver o quanto uma mão robótica poderia fazer sem o resto do robô”, disse Kazemipour Espectro IEEE. “Em vez de ter essa visão tradicional das peças robóticas, e se pudéssemos usar essas peças para realizar outras tarefas para as quais elas não foram projetadas?”
Esta não é a primeira tentativa de fazer uma mão robótica andar, mas trabalhos anteriores normalmente dependiam de mãos especialmente projetadas. A equipe da ETH decidiu usar hardware pronto para uso da Wuji Technology, complementado com uma mochila de 80 gramas contendo uma bateria, uma unidade de medição inercial (IMU) e um Raspberry Pi Zero. Kazemipour diz que decidiram optar por uma mão robótica comercial porque não queriam comprometer as capacidades de manipulação da mão. Isto introduziu desafios significativos, acrescenta ele, porque o formato da mão é otimizado para agarrar em vez de rastejar.
Como andar com os dedos
Para ensinar a mão a andar, os pesquisadores treinaram um modelo em simulação usando aprendizagem por reforço – uma abordagem na qual os modelos aprendem habilidades por meio de muitas rodadas de tentativa e erro, recebendo recompensas por se aproximarem do comportamento desejado e penalidades quando divergirem dele. Mas Kazemipour diz que a geometria incomum de uma mão significava que eles não poderiam simplesmente reutilizar abordagens usadas para treinar outros tipos de robôs com pernas. Quadrúpedes ou bípedes padrão tendem a ser simétricos nos lados esquerdo e direito, o que simplifica a caminhada e o equilíbrio, diz ele. As mãos, por outro lado, não são nada simétricas, com dedos de comprimentos diferentes e um polegar oponível.
Além de recompensas por se mover na velocidade certa e na direção certa e penalidades por coisas como oscilações ou movimentos bruscos, a equipe introduziu uma nova maneira de manter a mão rastejante durante o treinamento simulado. Para compensar o comprimento desigual dos dígitos, eles deram a cada dedo sua própria posição alvo em relação à palma da mão, com base em onde ele fica naturalmente na postura de engatinhar. Eles então penalizaram os dedos por se afastarem muito desse ponto de referência, criando o que descrevem como “molas virtuais” que puxam os dedos de volta à posição de rastejamento. Crucialmente, as penalidades para os dedos que se movem para frente e para trás são significativamente menores do que aquelas para os movimentos de um lado para o outro, portanto, tomar medidas dessa forma custa muito pouco à mão em comparação com as recompensas que ela recebe por se mover.
A equipe também treinou modelos separados para habilidades como endireitar a mão quando ela cai, pressionar teclas de um teclado e empurrar objetos em direção a um alvo. Todos os quatro modelos cabem no computador de bordo, diz Kazemipour, e o controlador pode alternar entre eles conforme necessário. Em testes reais, a mão rastejou por 14 superfícies diferentes, incluindo pisos lisos, grades de metal, grama e cascalho. Outros experimentos confirmaram que ele poderia fazer curvas à direita e à esquerda e atingir uma velocidade média de 9 centímetros por segundo. A mão conseguiu se endireitar em 21 das 25 tentativas. Ao receber uma transmissão de vídeo de uma câmera suspensa, ele conseguiu empurrar autonomamente um cubo de 41 gramas para alvos a até 40 cm de distância, 15 vezes seguidas.
“O que mais me interessa neste trabalho é que os mesmos dedos podem mover a mão, suportar o seu peso e interagir com o ambiente”, diz Masahiko Inami, professor da Universidade de Tóquio, cujo grupo desenvolveu robôs ambulantes em forma de mão. Ele concorda que uma mão móvel poderia ser útil para alcançar espaços confinados e operar controles que um braço inteiro não poderia acessar facilmente, embora afirme que a implantação prática exigiria percepção a bordo e uma navegação mais robusta. Hideki Shimobayashi, Ph.D. estudante do laboratório de Inami, também aponta que caminhar coloca cargas muito diferentes na mão em comparação com agarrar, então a durabilidade pode ser um desafio.
No entanto, Matei Ciocarlie, professor associado de engenharia mecânica na Universidade de Columbia, diz que é um “resultado interessante” que sugere que as mãos dos robôs não precisam estar restritas às mesmas capacidades que as suas contrapartes humanas. “Pode-se imaginar uma classe inteiramente nova de manipuladores móveis que sejam simultaneamente hábeis, capazes de atravessar terrenos complexos e de manipular cargas comparáveis em tamanho a eles próprios”, diz ele.
Kazemipour vê seu trabalho como parte de uma visão de longo prazo para robôs compostos de peças que não estão vinculadas a um único trabalho ou mesmo a um único plano corporal, algo que ele chama de “corporizações modulares autônomas”. “As partes do corpo robótico não devem ser atribuídas permanentemente a uma única função”, diz ele. “Eles podem fazer a transição dinâmica entre funções, entre serem componentes de um sistema de incorporação e agentes autônomos, de acordo com a tarefa.”
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