Imagine passar a ponta do dedo sobre a superfície de uma moeda americana. Você sentiria as cristas das letras e números em relevo, o perfil lateral barbudo de Abe Lincoln e, se der coroa, as colunas caneladas do Lincoln Memorial. Fazer com que um robô sinta as mesmas coisas é uma tarefa difícil, muitas vezes exigindo a coleta de dados sobre pressão e força em vários locais espaciais ao mesmo tempo. Mas foi exactamente isso que uma equipa de cientistas na Europa conseguiu fazer agora, utilizando uma pele robótica invulgar e colorida que proporciona detecção de alta resolução em tempo real.
“Para ser honesto, quando nos mostraram isso, pensamos que era, e desculpe meu francês, [expletive] legal, porque é uma abordagem distintamente diferente”, lembra Rich Walker, diretor da Shadow Robot, a empresa de robôs mais antiga do Reino Unido, que se concentra principalmente em mãos robóticas.
A equipe de pesquisa, proveniente da Universidade Queen Mary de Londres, da Universidade de Florença, da Universidade de Trieste e da Universidade de Trento, projetou uma ponta de dedo robótica com pele sintética que reflete diferentes cores de luz em resposta à deformação mecânica. Ao ler a luz refletida na pele, a ponta do dedo gera mapas de topologia, deformação e pressão de contato. A equipe já usou o sensor para gerar mapas da ponta de um dedo humano, de uma moeda e de uma folha.
Giacomo Sasso, pesquisador associado de pós-doutorado no laboratório de Federico Carpi na Queen Mary University of London, teve a ideia do sensor. Ele estava pesquisando óptica quando se deparou com um artigo interessante publicado na revista Natureza. Descreveu o “material mecanocrômico” que eventualmente constituiria o refletor na pele.
Seguindo o método descrito em NaturezaSasso expôs um filme sensível à luz a um laser de 5 megawatts e 635 nanômetros (vermelho) por sete minutos. O feixe de laser cria um padrão de interferência que faz com que o filme polimerize em densidades alternadas, criando camadas com diferentes índices de refração.
Essa estrutura é chamada de refletor de Bragg. As densidades alternadas e os índices de refração no polímero fazem com que comprimentos de onda específicos de luz sejam refletidos. Quando o refletor é deformado pelo contato com um objeto, suas camadas são esticadas, tornando-se mais finas e refletindo luz de comprimento de onda diferente.
Sasso demorou menos de uma semana para recriar o material no laboratório. “A partir daí, começamos a ver como poderíamos traduzir esses padrões de cores em algo que fosse útil para nós”, diz ele. Logo perceberam que a cor produzida pelo material era tudo de que precisavam para perceber a topologia dos objetos.
No dedo robótico, o refletor de Bragg é imprensado entre uma camada de silicone, que o protege do lado de fora, e um dedo de silicone transparente em forma de ponta de dedo com uma câmera e luz LED embutidas dentro dele.
A luz do LED brilha através do polímero transparente do dedo. Quando a ponta do dedo é deformada por um objeto, o refletor reflete a luz de volta para a câmera, com comprimentos de onda que dependem do nível de deformação – vermelho para menor deformação, mudando para verde e depois para azul quando está mais deformado.
A equipe também fez ajustes para aumentar a sensibilidade da pele e ajudar a câmera a ler melhor as diferenças de cores. O silicone da camada externa da ponta do dedo é preto para aumentar o contraste da cor, permitindo que a câmera traduza melhor a cor na morfologia. A rigidez da câmera dentro do dedo também aumenta a deformação do refletor, produzindo maiores diferenças nos comprimentos de onda refletidos.
Depois de toda essa otimização, o dedo forneceu resolução de 100 micrômetros sem latência computacional, determinaram os pesquisadores.
O que os dedos do robô precisam
A pele humana absorve uma variedade de informações táteis para mover e manipular objetos com sucesso, incluindo temperatura, textura, pressão e vibração. Mas projetar um robô para fazer o mesmo é um desafio devido às restrições espaciais. Muitas vezes não há espaço suficiente na ponta de um dedo robótico para incorporar mais de um tipo de sensor. A questão então é: Que tipo de sensor deve ser usado?
“E a resposta é… essa é uma pergunta muito difícil. Ninguém sabe ainda”, diz Walker. O dedo robótico da equipe de Carpi é empolgante porque apresenta mais uma opção para os roboticistas experimentarem, diz Walker.
Embora a equipe de Carpi não seja a primeira a usar materiais macios para detecção tátil, sua tecnologia é única porque é capaz de extrair informações quantitativas sobre profundidade e tamanho dos mapas topológicos que gera. De acordo com Walker, a maioria dos sensores só pode gerar mapas topológicos, que revelam os tamanhos relativos das características dos objetos.
Para Sasso, outra vantagem importante deste dedo robótico é que ele incorpora a detecção tátil diretamente no material do dedo, em vez de usar taxels, ou pixels que medem força ou pressão em pontos espaciais específicos.
“O aspecto central do sensor é que estamos essencialmente [moving toward] ter o elemento sensor no nível do material”, diz ele. “A câmera, que é um componente eletrônico altamente otimizado, está traduzindo tudo o que o material já está fazendo diretamente em sinais digitais.”
Michael Wang, cofundador e cientista-chefe da Daimon Robotics, que, ao contrário do Shadow Robot, usa principalmente detecção baseada na visão, ecoou o sentimento de Walker de que é benéfico explorar novos métodos de detecção, que podem trazer vantagens únicas. Mas ele também explicou que os materiais macios muitas vezes enfrentam desafios de durabilidade, e que a importância do trabalho da equipe seria revelada quando o dedo fosse integrado em mãos robóticas reais.
“Os benefícios práticos e úteis, especialmente no contexto das mãos robóticas, ainda precisam ser testados e validados”, afirma.
Quando os materiais dos sensores macios, como o silicone da ponta do dedo da equipe de Carpi, ficam corroídos ou danificados após o uso repetido, os sinais medidos pelos sensores podem não refletir também a topografia dos objetos.
“Especialmente se você tiver a eletrônica incorporada na própria camada de material, isso se tornará um problema de engenharia muito desafiador. E eu não vi [many] bons materiais eletrônicos macios que realmente podem passar por longos períodos de uso”, diz Wang.
No entanto, como o refletor de Bragg não está em contato direto com os objetos, a camada externa de silicone atua como uma barreira protetora, diz Sasso. O silicone também pode se tornar mais durável usando certos revestimentos químicos, de acordo com Wang.
A equipe já conversou com empresas que poderiam empregar o novo sensor. Eles também esperam melhorar o sensor para que ele possa detectar objetos que não estejam planos nas superfícies. Isso poderia abrir seu uso em instrumentos cirúrgicos que exigem mapeamento de contato preciso de tecidos e órgãos, diz Carpi.
“Há desenvolvimentos significativos que esperamos com um caminho claro em direção à transição para aplicações do mundo real”, diz ele.
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