Híbrido de sensor e atuador transforma toque diretamente em ação

Dispositivo háptico

Um dispositivo híbrido, mesclando as funções de atuador e sensor de força, detecta toques e os converte diretamente em um fluxo de fluido, que é então usado para acionar atuadores, eliminando completamente a necessidade de motores, componentes eletrônicos, circuitos de processamento, computadores ou energia externa.

Puramente mecânico, o dispositivo háptico consiste em uma estrutura porosa, impressa em 3D, com um pilar central conectado a cinco câmaras cheias de fluido, quatro horizontais e uma vertical.

Ao ser pressionado, ele reage comprimindo as câmaras correspondentes, o que por sua vez direciona o fluido por tubos flexíveis até atuadores na outra extremidade. Cada câmara responde de forma independente, permitindo assim que o sensor detecte e separe forças em três direções: Horizontal, lateral e vertical.

Um circuito passivo é usado para produzir um sinal elétrico legível juntamente com essa saída mecânica: O fluido deslocado move pequenos ímãs ao longo de arcos de metal, e a variação do fluxo magnético induz pulsos de tensão – o mesmo princípio que faz um dínamo de bicicleta gerar eletricidade a partir da rotação da roda. O número de pulsos corresponde diretamente à magnitude da força aplicada, fornecendo uma leitura mensurável sem a necessidade de componentes eletrônicos.

Cria-se, assim, um ciclo completo de detecção-ação sem qualquer conversão eletrônica.

A eliminação de sensores e circuitos eletrônicos para processar sinais e coordenar movimentos – uma cadeia de componentes que adiciona peso, complexidade e pontos de falha – é muito bem-vinda para os dispositivos biomédicos, as tecnologias assistivas e a robótica macia, com aplicações que vão das cirurgias minimamente invasivas à exploração em águas profundas

“Adotamos uma abordagem singular porque nos inspiramos na capacidade da natureza de dimensionar sensores táteis em diversos ambientes usando simplesmente células, que são essencialmente compostas de fluidos. Nos perguntamos se um canal preenchido com fluido poderia não apenas detectar o toque, mas também fornecer retroalimentação tátil direto para outra pessoa. Descobrimos que essa arquitetura de projeto pode ser alcançada com extrema robustez e pode ser usada para treinar robôs para aplicações de IA física,” afirmou o professor Benjamin Tee, da Universidade Nacional de Cingapura.

Como o funcionamento do sensor/atuador é determinado por parâmetros geométricos ajustáveis, principalmente o diâmetro dos canais de fluido, a espessura e o ângulo de inclinação da espuma central, sua sensibilidade pode ser ajustada para diferentes tarefas simplesmente alterando o projeto impresso em 3D.

Avaliações

Para demonstrar a versatilidade do sensor, a equipe o integrou em várias plataformas. Uma luva macia com cinco unidades miniaturizadas do sensor, cada uma do tamanho de uma ervilha, fabricadas em um único processo contínuo e sem montagem manual, detectou forças de preensão em cada ponta dos dedos, prevendo o peso de objetos segurados, o que tem aplicações em próteses e interação humano-máquina.

Em outro experimento, o sensor foi conectado a uma almofada tátil para os dedos, criando um sistema de reatroalimentação háptica: Um operador com os olhos vendados controlou a preensão de um braço robótico apenas pelo toque, sentindo diretamente a força da garra através da pressão do fluido devolvido à almofada, o que permitiu distinguir entre um ovo, blocos de madeira e uma garrafa de água. Os sinais registrados durante a preensão foram então reproduzidos para ensinar um robô a replicar o movimento autonomamente.

O sensor manteve desempenho estável em água quente (90°C) e sob alta pressão, equivalente a cerca de 11 metros de profundidade. Além disso, por não possuir componentes eletrônicos, ele está imune a interferências eletromagnéticas. “Este trabalho representa um exemplo notável de como o próprio corpo físico pode produzir comportamento sensório-motor sem necessidade de um sistema de controle, uma forma de inteligência incorporada amplamente observada na natureza,” concluíram os pesquisadores.