Publicado em: 20 de abril de 2025 / atualização de: 20 de abril de 2025 - Autor: Konrad Wolfenstein
Biomimética em microrobóticos com Robobe and Co.: Como as técnicas de aterrissagem de insetos dirigem robótica - Imagem criativa: xpert.digital
Calculado da natureza: como a biomimética muda os limites da robótica
Pequenos ajudantes: robôs de insetos conquistam agricultura, medicina e muito mais
A natureza desenvolveu soluções notáveis para desafios complexos ao longo de milhões de anos. É precisamente essa eficiência e elegância de sistemas naturais que inspiram cada vez mais os cientistas a desenvolver tecnologias avançadas de robôs. A biomimética inspirada por insetos levou a impressionantes avanços, particularmente na área de microrrobóticos. Acima de tudo, o recente progresso nas técnicas de aterrissagem para micro -robôs, que são inspirados por insetos como lanches e abelhas, demonstram impressionantemente como a natureza pode servir como um plano para soluções técnicas inovadoras.
Noções básicas de biomimética em robótica
A biomimética, também conhecida como Bionik, descreve a transmissão sistemática de mecanismos e métodos da natureza para a tecnologia. Essa abordagem interdisciplinar está se tornando cada vez mais observada em áreas como ciências materiais, robótica, energia renovável, medicina e tecnologia da informação. Em vez de copiar a natureza um a um, os cientistas estão preocupados em entender os princípios subjacentes e adaptá -los para aplicações técnicas.
Os engenheiros sempre foram inspirados pela natureza, explica Hartmut Witte, chefe do Departamento de Biomecatrônica da Ilmenau. A Bionics serve como um método de não apenas promover e sistematizar essa associação, mas também para expandir a base para o desenvolvimento de produtos técnicos. A evolução produziu organismos que se adaptaram perfeitamente ao seu ambiente, e são precisamente esses ajustes que fornecem modelos valiosos para inovações na tecnologia.
Ao transferir princípios biológicos para a tecnologia, fica claro que os verdadeiros biônicos não são reconhecidos por características externas, explica Witte. Não se trata da mera imitação da forma externa, mas da adaptação dos princípios funcionais que foram desenvolvidos na perfeição na natureza.
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Robôs microros inspirados no inseto: milagres técnicos em formato em miniatura
Devido ao seu tamanho, eficiência e habilidades incríveis, os insetos estão disponíveis como modelos ideais para o desenvolvimento de micro robôs. Suas características de voo altamente desenvolvidas, mecanismos de locomoção e habilidades de adaptação inspiraram pesquisadores em todo o mundo a reproduzir tecnicamente esses sistemas biológicos.
Robobee: Micro Robot Flying de Harvard
Um dos exemplos mais conhecidos de robótica inspirada em insetos é o Robobee da Universidade de Harvard. Este pequeno robô voador pesa apenas um décimo grama e tem uma envergadura de apenas 3 centímetros. O Robobee consiste em três componentes principais: o corpo feito de fibra de carbono, as asas do tiro de wafer e o "cérebro", que consiste em vários sensores inteligentes.
As asas são alimentadas por atuadores piezoelétricos - uma espécie de músculos artificiais que convertem energia elétrica em movimento. Essa tecnologia permite que o micro robô voe, flutue e execute manobras complexas, como uma abelha real.
Mais exemplos de micro robôs inspirados no inseto
Na Universidade da Califórnia, Berkeley, os engenheiros desenvolveram um robô de vôo inspirado em insetos ainda menores. Com um diâmetro inferior a 1 cm e um peso de apenas 21 mg, é o menor robô sem fio do mundo que pode voar de maneira controlada. Ao contrário do Robobee, no entanto, esse robô usa campos magnéticos externos como uma unidade e controle.
Pesquisadores de Bionik do Instituto de Tecnologia da Geórgia, por sua vez, desenvolveram micro-robôs que imitam o comportamento das formigas. Esses pequenos robôs têm apenas 1,8 milímetros de largura, 0,8 milímetros de espessura e pesam cerca de 5 miligramas. A visão dos pesquisadores: enxames desses insetos eletrônicos podem assumir a polinização de plantas na agricultura.
O desafio do pouso seguro
Um dos maiores desafios para os micro robôs voadores é um pouso seguro. Devido ao seu pequeno tamanho e peso leve, eles são particularmente suscetíveis a agitamentos e instabilidades de ar, especialmente perto do solo.
O problema de pouso do Robobebee
"Até agora, desligamos o veículo sobre o chão em um pouso, apenas o deixou cair e rezamos para que ele acabe e pousa", explica Christian Chan, um estudante de doutorado da equipe de pesquisa de Harvard. Esse pouso descontrolado era um risco considerável para os atuadores piezoelétricos sensíveis e asas de filigrana do robô, que poderiam ser facilmente danificadas por um impacto.
O problema foi exacerbado pelo efeito do solo -deslocamento do ar de forma tão gotada que é desencadeada pelas asas de batida e levando à instabilidade ao aterrissagem. Esses desafios aerodinâmicos tornam particularmente difícil para pequenos robôs de vôo acabarem de maneira controlada.
Solução terrestre inspirada por Schnaken
Para resolver esse problema, os cientistas da Universidade de Harvard analisaram o Crane Fly (Schnake), um inseto com dimensões semelhantes ao Robobe. O Crane Fly é capaz de realizar pousos elegantes em vários substratos, graças às suas pernas longas e flexíveis que podem vapores.
Inspirado neste modelo natural, a equipe desenvolveu uma nova receita de pouso para o Robobee: quatro pernas longas e flexíveis, semelhantes às da mosca do guindaste. Essas pernas são longas e flexíveis o suficiente para garantir que o solo esteja protegido do solo antes que o corpo principal do robô seja afetado pela turbulência do ar problemática.
Além das melhorias mecânicas, os cientistas também adaptaram o controle de vôo do robô, orientando -se ao comportamento de pouso do vôo do guindaste. Eles aceleram de um voo flutuante, depois freqüentam a meta de pouso e montam com uma baixa velocidade de impacto. A energia de impacto ainda existente é então registrada pela área de aterrissagem mecânica.
Técnicas de aterrissagem alternativas para micro -robôs
Outra tecnologia de pouso inspirada nos insetos foi desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Harvard para versões anteriores do Robobee. Enquanto os insetos reais geralmente usam um tipo de adesivo para aderir às superfícies verticais, os pesquisadores se basearam na atração eletrostática para conectar o robô a um bloco. Essa abordagem requer apenas uma pequena quantidade de energia para consertar o robô leve.
Outro desenvolvimento notável vem da Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Nanjing (NUAA), onde os pesquisadores desenvolveram um robô de insetos que combina habilidades de voo e escalada. Esse robô pode pousar em uma parede vertical, subir ao longo dela e decolar novamente - uma habilidade que ele foi capaz de demonstrar em diferentes materiais, como vidro, madeira, mármore e até casca de árvore.
Abordagens biomiméticas além da tecnologia de pouso
A natureza inspira a robótica não apenas no desenvolvimento de técnicas de pouso, mas em vários aspectos da microbótica. Dos mecanismos de locomoção aos sistemas de detenção e conceitos - a natureza oferece um rico reservatório de soluções.
Sistemas de movimento avançado
Uma equipe de pesquisa da Universidade de Harvard desenvolveu um robô de micro insetos chamado "Little Fury" com um "pau" artificial inspirado por pular de galos. Este robô pode pular impressionantes 1,4 metros, o que corresponde a 23 vezes o comprimento do corpo. O mecanismo de salto é baseado na "furcula" dos galos que funcionam como uma mola tensa.
Na TU Ilmenau, os pesquisadores do departamento de biomecatrônicos construíram uma pequena lagarta robô, que está equipada com a chamada "tolo-fita". Este material foi inspirado pelos mecanismos adesivos de lagartixas, aranhas e besouros, que podem ser executados em superfícies verticais e até no teto sem fluidos adesivos.
Navegação autônoma e comportamento de enxame
Outra área importante da robótica biomimética é a navegação autônoma. Cientistas da Universidade Sueca de Lund desenvolveram um conceito para um novo sistema de orientação por drones com base no comportamento alternativo dos insetos. As observações mostraram que as abelhas são baseadas na intensidade da luz na navegação para evitar obstáculos.
Pesquisadores da Hungria transferiram novamente o comportamento do enxame de insetos para os drones. Com a ajuda de um algoritmo recém -desenvolvido, até nove aeronaves individuais podem voar em formação e, assim, também navegar em ambientes confusos, como as cidades.
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Potencial de aplicação e perspectivas futuras
Os micro -robôs inspirados por insetos prometem uma variedade de aplicações em diferentes áreas.
Agricultura e monitoramento ambiental
Uma das aplicações em potencial mais fascinantes é a polinização artificial. Em vista do declínio global das populações de abelhas, os enxames de Robobees poderiam um dia ajudar a polinização de plantas. Além disso, esses micro robôs podem ser usados no monitoramento ambiental para coletar dados sobre condições ambientais inacessíveis a drones maiores.
Exploração e alívio de desastres
Graças ao seu tamanho pequeno, os robôs microros inspirados em insetos podem ser usados ao explorar salas estreitas, edifícios desmoronados ou outros ambientes complexos. Em áreas de desastre, você pode fornecer informações valiosas sem colocar as pessoas em perigo.
Aplicações médicas
A longo prazo, robôs miniaturizados podem até ser usados no campo médico. Enxames de pequenos robôs podem realizar diagnósticos ou até fazer tratamentos no corpo humano.
Limites atuais e desenvolvimentos futuros
Apesar do progresso impressionante, os robôs microros inspirados em insetos ainda estão enfrentando desafios consideráveis. Por exemplo, o Robobee ainda está conectado a sistemas de controle externo por cabo, o que limita sua mobilidade. Os pesquisadores estão trabalhando em sensores miniaturizantes, controle e suprimento de energia para poder instalá -los diretamente no robô de vôo.
A miniaturização desses componentes é considerada o "graal sagrado triplo" da microbótica e representa enormes desafios técnicos. No entanto, a visão dos pesquisadores é clara: enxames completamente autônomos de micro robôs que podem executar tarefas complexas em vários ambientes.
Natureza como engenheiro: Progresso em microrobóticos
A biomimética revolucionou o desenvolvimento da microrrobótica, permitindo que os engenheiros se beneficiem de milhões de anos de otimização evolutiva. O recente progresso nas técnicas de aterrissagem inspiradas em insetos para micro -robôs, como o Robobe, demonstra impressionantemente o potencial dessa abordagem.
Devido à imitação de sistemas naturais, os pesquisadores não apenas desenvolvem robôs mais eficientes e mais robustos, mas também obtêm informações valiosas sobre os próprios mecanismos biológicos. Como Alyssa Hernandez, pós-doutorado e co-autor do Estudo Robobee, explica: "Podemos usar essas plataformas de robôs para pesquisas e estudos biológicos, o teste de hipóteses biomecânicas".
O futuro da robótica biomimética promete desenvolvimentos fascinantes, enquanto os pesquisadores continuam a explorar a fonte inesgotável de inspiração, a fim de dominar os desafios técnicos de nosso tempo. O caminho da observação dos fenômenos naturais para sua implementação técnica nem sempre é fácil, mas, como mostra a história de sucesso dos Robobee, pode levar a inovações inovadoras que têm o potencial de revolucionar várias áreas de nossas vidas.
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