Origami

Pesquisadores da USC desenvolveram uma solução inovadora para medir o movimento de componentes flexíveis na robótica.

Sensores de tensão inspirados em origami podem mudar a maneira como interagimos com robôs macios

Hollywood é uma fonte de inspiração para os roboticistas. Os movimentos surpreendentemente realistas de personagens animados em filmes como “Avatar” e “Senhor dos Anéis” são produzidos usando a técnica de captura de movimento – na qual marcadores reflexivos são anexados a um ator, capturados por câmeras e traduzidos em dados de movimento que podem ser lido por software de animação.

No campo da robótica leve, um método comparável tem sido usado para rastrear a deformação – ou mudanças na forma – de componentes macios, como os músculos de um braço robótico. As câmeras podem coletar dados que permitem aos pesquisadores medir a elasticidade e a recuperação, informações cruciais para prever e, portanto, controlar o movimento do robô.

Aqui está o problema: esse processo raramente funciona fora do laboratório. Se um robô estiver navegando no oceano, operando no espaço ou encerrado no corpo humano, uma configuração de múltiplas câmeras nem sempre é prática.

É por isso que Hangbo Zhao, que tem dupla nomeação como professor assistente no Departamento de Engenharia Aeroespacial e Mecânica e no Departamento de Engenharia Biomédica Alfred E. Mann, decidiu testar uma abordagem alternativa.

Imagem em escala do sensor de deformação com design de eletrodo inspirado em origami

Estimulado por conversas com seus colegas em robótica suave, Zhao e seu grupo de pesquisa desenvolveram um projeto para um novo sensor usando eletrodos 3D inspirados nos padrões de dobramento usados ​​no origami, capaz de medir uma faixa de deformação até três vezes maior do que um sensor típico. .

Os sensores podem ser acoplados a corpos moles em movimento – desde tendões mecânicos de uma perna protética até a matéria pulsante de órgãos internos humanos – com a finalidade de rastrear mudanças de forma e funcionamento adequado, sem a necessidade de câmeras.

O artigo resultante, “Sensores de tensão de alta elasticidade e baixa histerese usando mesoestruturas 3D inspiradas em origami”, foi publicado na revista Science Advances.

“Para desenvolver o novo sensor, aproveitamos nosso trabalho anterior no projeto e fabricação de estruturas 3D em pequena escala que aplicam princípios de origami”, explicou Zhao. “Isso permite que os sensores sejam usados ​​repetidamente e forneçam leituras precisas mesmo ao medir deformações grandes e dinâmicas de corpos moles.”

Professor Hangbo Zhao e o primeiro autor do artigo, Xinghao Huang, doutorando em Engenharia Mecânica

Os sensores de deformação extensíveis existentes normalmente usam materiais macios como borracha – mas esse tipo de material pode sofrer alterações irreversíveis nas propriedades do material através do uso repetido, produzindo métricas não confiáveis ​​quando se trata de detecção de deformação.

Mas e se o material do sensor não fosse inerentemente macio ou elástico? Em vez disso, a estrutura 3D dos eletrodos converteria o estiramento e a liberação em um processo de desdobramento e dobramento.

A solução engenhosa de Zhao para o sensor baseado em eletrodo pode ser demonstrada com um pedaço de papel plano. Puxe um dos lados – fica maior? Não? Então, não é elástico.

Agora dobre o papel ao meio. Abra novamente. A forma do papel dobrado muda, mas o material em si não se transforma em substância. Em outras palavras, melhor do que elástico.

À medida que os eletrodos se desdobram, a intensidade do campo elétrico é capturada. Um modelo desenvolvido pela equipe converte então essa leitura em uma medida da deformação. Esta abordagem é ideal para responder a grandes deformações que os sensores existentes não são capazes de identificar com precisão; através da arte de dobrar, você pode conseguir saltos reversíveis nas dimensões sem causar alteração no material.

“Integramos os eletrodos inspirados no origami 3D com um substrato macio e elástico por meio de ligação covalente”, explicou Zhao. “Essa combinação única nos permite medir uma deformação muito grande, de até 200% de deformação, com uma histerese ultrabaixa de cerca de 1,2%. Há também uma resposta muito rápida, em 22 milissegundos.”