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Uma equipe de cientistas dos EUA sintetizou e implementou controladores de vôo de alto desempenho e seis graus de liberdade para o Bee ++, um robô voador em escala de inseto impulsionado por quatro asas oscilantes acionadas de forma independente.

Com quatro asas feitas de fibra de carbono e mylar, bem como quatro atuadores leves para controlar cada asa, o protótipo Bee++ é o primeiro a voar de forma estável em todas as direções. Crédito da imagem: Bena et al., doi: 10.1109/TRO.2022.3218260.

Os pesquisadores vêm tentando desenvolver insetos voadores artificiais há mais de três décadas.

Algum dia poderão ser utilizados para muitas aplicações, incluindo polinização artificial, esforços de busca e salvamento em espaços apertados, investigação biológica ou monitorização ambiental, incluindo em ambientes hostis.

Mas apenas fazer com que os pequenos robôs decolassem e pousassem exigia o desenvolvimento de controladores que agissem da mesma forma que o cérebro de um inseto.

“É uma mistura de design e controle robótico”, disseram os drs. Nestor Perez-Arancibia, pesquisador da Universidade Estadual de Washington.

“O controle é altamente matemático e você projeta uma espécie de cérebro artificial. Algumas pessoas chamam isso de tecnologia oculta, mas sem esses cérebros simples nada funcionaria.”

Pérez-Arancibia e colegas desenvolveram inicialmente uma abelha robótica de duas asas, mas seu movimento era limitado.

Em 2019, eles construíram um robô de quatro asas leve o suficiente para decolar.

Para realizar duas manobras conhecidas como arremesso ou rolamento, eles fazem as asas dianteiras baterem de maneira diferente das asas traseiras para arremessar e as asas direitas baterem de maneira diferente das asas esquerdas para rolar, criando um torque que gira o robô em torno de seu dois eixos horizontais principais.

Mas ser capaz de controlar o complexo movimento de guinada é extremamente importante. Sem ele, os robôs ficam fora de controle, incapazes de focar em um ponto. Então eles batem.

“Se você não consegue controlar a guinada, você está superlimitado. Se você é uma abelha, aqui está a flor, mas se você não consegue controlar a guinada, você fica girando o tempo todo enquanto tenta chegar lá”, disse o Dr. Pérez-Arancibia.

“Ter todos os graus de movimento também é extremamente importante para manobras evasivas ou rastreamento de objetos.”

“O sistema é altamente instável e o problema é muito difícil. Durante muitos anos, as pessoas tiveram ideias teóricas sobre como controlar a guinada, mas ninguém conseguiu fazê-lo devido a limitações de atuação.”

Para permitir que seu robô girasse de maneira controlada, os pesquisadores seguiram o exemplo dos insetos e moveram as asas para que batessem em um plano inclinado.

Eles também aumentaram a quantidade de vezes por segundo que seu robô consegue bater as asas – de 100 para 160 vezes por segundo.

“Parte da solução foi o design físico do robô, e também inventamos um novo design para o controlador – o cérebro que diz ao robô o que fazer”, disse o Dr. Pérez-Arancibia.

“Pesando 95 mg e envergadura de 33 mm, a Bee++ ainda é maior que as abelhas reais, que pesam cerca de 10 mm.”

“Ao contrário dos insetos reais, ele só pode voar de forma autônoma por cerca de cinco minutos por vez, por isso está principalmente preso a uma fonte de energia por meio de um cabo.”

“Também estamos trabalhando para desenvolver outros tipos de robôs insetos, incluindo rastejadores e striders aquáticos.”

O trabalho da equipe foi publicado na revista IEEE Transactions on Robotics.

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Ryan M. Bena e outros. 2023. Controle de voo Six-DOF de alto desempenho do Bee++: uma abordagem de plano inclinado. Transações IEEE em Robótica 39 (2): 1668-1684; doi: 10.1109/TRO.2022.3218260