A última tendência popular e promissora da robótica é a miniaturização. Os últimos avanços em robôs e drones não se baseiam na tecnologia digital, mas no peso: quanto menor o tamanho dos sensores, a importância das câmeras e de outros equipamentos inteligentes, melhor.
Microbots
Microbotics é o campo da robótica em miniatura, particularmente robôs móveis com um tamanho característico de menos de 1 mm. A terminologia também pode ser usada para robôs capazes de usinar componentes do tamanho de micrómetros.
História do surgimento de microrobôs
Os microbots nasceram do advento do microcontrolador na última década do século 20 e do início dos sistemas mecânicos em miniatura. As primeiras pesquisas e o desenvolvimento conceitual desses pequenos robôs ocorreram no início dos anos 70 no (então) estudo privado para as agências de inteligência dos EUA. Na época, os principais objetivos da pesquisa eram perceber a necessidade de organizar missões de resgate de prisioneiros e interceptação eletrônica. Na época, as tecnologias essenciais de apoio à miniaturização não estavam totalmente desenvolvidas, de modo que nenhum progresso significativo foi feito no desenvolvimento de protótipos. Os avanços na conectividade sem fio, especialmente Wi-Fi, aumentaram significativamente a capacidade de comunicação dos microbots e, portanto, sua capacidade de coordenar com outros microbots para realizar tarefas mais complexas. De fato, muitos estudos recentes se concentraram nas comunicações dos microbots, incluindo um robô na Universidade de Harvard que se monta em várias formas; e a produção de microbots na SRI International para o programa DARPA's MicroFactory for Macro Products, que pode criar estruturas leves e de alta resistência.
Características do projeto
Os microrobots têm menos de 1 mm de tamanho. Eles diferem neste aspecto dos millirobots, menores que 10 cm (4 polegadas), pequenos robôs menores que 100 cm (39 polegadas) e nanorobots, com ou abaixo de 1 micrômetro ou em uma faixa de tamanho de 1 a 1000 nm. Devido a seu pequeno tamanho, os microrobôs são potencialmente muito baratos e podem ser usados em grandes quantidades (robôs enxameadores) para explorar ambientes que são muito pequenos ou muito perigosos para os seres humanos ou robôs mais gigantes. Os microrobôs são especialmente úteis na busca de sobreviventes em edifícios desmoronados após um terremoto ou na varredura do trato digestivo. Eles não têm poder físico e/ou computacional, mas isto pode ser compensado usando grupos ou enxames de microrobôs. A forma como os microrobôs se movem depende de sua finalidade e do tamanho necessário. Por exemplo, os robôs que funcionam em ambientes aquosos ou outros ambientes líquidos freqüentemente têm flagelos móveis rotativos. Um dos principais problemas para mover um micro-robô é conseguir esta capacidade usando uma fonte de energia mínima. Os microrobôs podem usar uma fonte de bateria pequena e leve ou podem ser alimentados pela energia do ambiente sob a forma de vibração. Os microrobôs também usam motores biológicos como fontes de energia, tais como flagelos, para obter energia química do fluido ao redor para alimentar o dispositivo robótico. Uma alternativa comum a uma bateria a bordo é alimentar os robôs usando energia externa. Exemplos incluem campos eletromagnéticos, ultra-som e luz para ativar e controlar os microrobôs. Para ser autônomo, um microrobô deve ter:
- Sensores suficientemente eficientes (micro ou nanossensores),
- A autonomia energética requer micro-baterias eficientes de baixo consumo ou a capacidade de encontrar e usar uma fonte de energia externa (solar, microondas, fonte de hidrogênio, capacidade biomimética de extrair energia de matéria orgânica, etc.). Uma maneira de economizar energia é garantir que as várias funções do micro-robô sejam ativadas apenas quando necessário e de forma otimizada. O resto do tempo, eles ficam em standby, o que não os impede de se moverem passivamente (levados pelo vento, corrente, veículo, etc.),
- um sistema inteligente integrado (individual ou coletivo no caso de robôs com funções adicionais trabalhando em conjunto) e/ou comunicação que permite interação ou controle remoto,
- o currículo deve ser complexo o suficiente para responder ao aparecimento de eventos simples e mudanças no ambiente (estímulos) e responder a eles (individual ou coletivamente) com reações apropriadas.
Aplicativos
Excelentes perspectivas com micro-robôs envolvem tarefas perigosas, dolorosas, repetitivas ou impossíveis para humanos (em pequenos espaços, no vácuo) ou funções mais acessíveis. Ainda assim, os robôs podem executá-los melhor do que os humanos. Eles também podem ser usados como robôs industriais e técnicos (capazes, por exemplo, de fazer pequenas peças ou mecanismos, diagnosticar ou reparar o interior de uma máquina sem desmontá-la, inspecionar tubulações por dentro, etc.). São capazes de trabalhar no vácuo ou em ambiente sem ar, etc. Atualmente, micro-robôs já foram desenvolvidos e aplicados na esfera doméstica (robôs de serviço), por exemplo, robôs para aspiradores e jogos ou robôs de treinamento para programação.
Aplicações de micro-robôs na área da saúde
No ano de 2018, houve um progresso significativo no uso de microrobôs na área da saúde. Pesquisadores da Universidade da Cidade de Hong Kong publicaram um estudo na revista Science Robotics alegando que os micro-robôs podem ser usados para diagnosticar doenças, administrar medicamentos e até mesmo em cirurgia, tudo a nível celular. Os pesquisadores já realizaram com sucesso ensaios, como a entrega de células no local certo em um rato vivo. A aplicação prática potencial destas tecnologias é a entrega de substâncias benéficas a uma casa específica no corpo humano, que poderia se tornar um novo tipo de medicina personalizada não-invasiva. Há anos, os cientistas vêm desenvolvendo robôs ainda menores para uma medicina mais precisa. A miniaturização atual os ajudou dramaticamente a criar microrobôs médicos, a unidade de medida que não é mais um milímetro, mas um micron. These small bots can diagnose and monitor diseases in real-time, measure blood sugar levels for diabetics, or deliver necessary drugs precisely to a target, such as a tumor. Developers have also created floating micro-robots capable of navigating through human body fluids. These bots mimic the body's natural processes; they move forward using metachronal waves, similar to the infusoria in the human body. Scientists are trying to find applications for these technologies, from treating cardiovascular disease to eye surgery. No futuro, os microrobôs poderiam limpar as artérias da placa e quebrar as pedras nos rins. Um robô médico ou ajuda médica na forma de um microrobô poderia um dia ser capaz de trabalhar em um organismo vivo.
Aplicação de microrobots em condições extremas
Primeiro, as condições extremas na robótica são perigosas para as pessoas ou dispositivos técnicos: fundo de radiação elevado, ambiente quimicamente agressivo, fortes campos eletromagnéticos, alta pressão e temperatura. Quando os robôs realizam várias tarefas nos cenários de desastres naturais ou provocados pelo homem ou conflitos militares, o ambiente não determinístico assume um significado especial, onde junto com condições externas extremas, há um alto grau de incerteza não apenas dos parâmetros do ambiente em si, mas também das operações a serem realizadas. A resistência dos robôs a condições ambientais agressivas é assegurada principalmente por soluções técnicas e de engenharia. Ao mesmo tempo, a capacidade dos robôs de responder adequadamente e em tempo hábil a mudanças imprevistas nos parâmetros ecológicos depende principalmente da estratégia de controle escolhida, bem como do nível de inteligência do robô. Tais robôs devem ser equipados com uma poderosa máquina de computação a bordo, um amplo suprimento de recursos de energia a bordo e, muitas vezes, um conjunto significativo de órgãos de trabalho. Tal " hoarding" leva ao aumento das dimensões e peso de um robô, o que, por sua vez, limita significativamente a possível área de aplicação. Ao mesmo tempo, entre várias tarefas resolvidas por robótica extrema, há várias tarefas para as quais um robô de pequeno porte é desejável e às vezes necessário. Estas incluem a vigilância de territórios e áreas aquáticas sob condições de resistência inimiga organizada, busca de vítimas em escombros após desastres naturais ou provocados pelo homem, busca e neutralização de dispositivos explosivos em operações anti-terroristas em assentamentos urbanos densos, e exploração de superfície de outros planetas, etc. A solução de tais tarefas requer microrobôs de pequenas dimensões e massa, o que permite mover-se livremente em passagens estreitas, permanecendo desapercebido pelos radares inimigos. Tais robôs são caracterizados por menores custos de transporte do complexo robótico até o local de trabalho. Entretanto, o pequeno tamanho dos microrobôs impõe algumas limitações:
- É difícil se mover em um espaço despreparado porque saliências e depressões relativamente pequenas podem dificultar o movimento do micro-robô,
- a tarefa de mover corpos grandes (por exemplo, vítimas de terremotos ou amostras de rochas) com a ajuda de um micro-robô é difícil. As pequenas dimensões de um micro-robô também impõem várias limitações indiretas:
- A pequena reserva de energia a bordo do micro-robô,
- pequeno tamanho e consumo de energia dos meios de comunicação levam a limitações do raio máximo de comunicação de rádio,
- o número de ferramentas de trabalho disponíveis para o robô é significativamente limitado. Todas as limitações acima se aplicam a um único micro-robô. Portanto, uma solução óbvia para esses problemas poderia ser o uso de um grupo de micro-robôs capazes de combinar esforços para resolver tarefas complexas. Os micro-robôs podem ajudar uns aos outros a superar obstáculos e realizar em conjunto o transporte de um grande corpo. A troca de informações em um grupo de robôs possibilita ampliar as informações sobre o ambiente disponível para cada robô. Ao mesmo tempo, algumas tarefas podem ser distribuídas entre micro-robôs e executadas em paralelo. Por exemplo, enquanto alguns robôs em um grupo estão coletando dados ambientais, outros estão coletando amostras de solo. Além disso, a aplicação de micro-robôs em grupo ajuda a reduzir o risco de falha de tarefa porque o dano de um ou vários micro-robôs de grupo no caso geral (principalmente em estratégias de enxame e controle coletivo) não leva a uma falha de tarefa. No entanto, reduz a eficiência do grupo. Ao mesmo tempo, danos a unidades individuais de um único robô podem interromper o trabalho que ele executa e tentativas de duplicar as unidades funcionais mais básicas do robô levam a um aumento na massa, dimensões e custo do robô, mas não aumentar a eficiência do trabalho (até reduzi-lo, dado o grande tamanho e grupo).
Estratégias para gerenciar um grupo de micro-robôs
A eficiência dos grupos de microrobôs depende principalmente da estratégia de controle escolhida. É feita uma diferença entre as estratégias de controle centralizadas e descentralizadas. Nas estratégias de controle centralizado, algum dispositivo de controle central tem acesso a informações sobre o estado de todos os robôs do grupo e do ambiente. O dispositivo de controle avalia a situação atual e toma decisões sobre as ações dos robôs do grupo's. O dispositivo de controle central pode estar localizado fora do grupo (por exemplo, no painel de controle do operador's) ou a bordo de um dos robôs do grupo. No último caso, falamos de controle centralizado "com um master." estratégias de controle centralizado dão bons resultados quando o número de robôs no grupo é pequeno. medida que o tamanho do grupo aumenta, a carga no canal de comunicação e os meios computacionais do dispositivo de controle aumentam. Uma solução é usar estratégias de controle hierárquicas nas quais um grupo de robôs é dividido em subgrupos, cada um com seu líder (geralmente entre os robôs do grupo), e os líderes dos subgrupos são controlados por um dispositivo de controle central localizado a bordo de um dos robôs, ou, mais freqüentemente, fora do grupo. Estratégias hierárquicas de controle complicam a natureza das comunicações entre os robôs do grupo, fazendo severas exigências sobre os equipamentos de comunicação a bordo. A interferência no canal de comunicação é altamente prejudicial para o grupo que opera sob estratégias de controle centralizado. Além disso, a falha de um robô controlando um grupo ou subgrupo leva a graves problemas - a comunicação com todos os robôs sob seu controle é perdida. As estratégias de controle de grupo de robôs descentralizados incluem estratégias de controle coletivo, de enxame e de enxame. Em uma estratégia de controle coletivo, cada robô de um grupo recebe informações de todos os outros robôs do grupo e transmite as informações que coletou sobre o ambiente e seu estado ao canal de comunicação para que essas informações estejam disponíveis a todos os outros robôs do grupo. Assim, a troca de informações em um grupo de robôs sob controle coletivo é realizada de acordo com o princípio " cada um para all" princípio. Devido a isso, cada robô pode avaliar independentemente a situação atual e decidir sobre as ações adicionais necessárias. As estratégias de controle coletivo permitem ao grupo manter a operabilidade em caso de falha de um ou vários robôs do grupo. A carga no canal de comunicação aumenta em proporção direta com o número de robôs no grupo. A limitação dos dispositivos de computação a bordo dos robôs também aumenta, uma vez que eles precisam processar as informações recebidas. Embora o limite superior de tamanho de grupo permitido nos métodos de controle coletivo seja, em média, maior do que de forma centralizada, o "escalabilidade" destes métodos deixa muito a desejar. Nas estratégias de controle de enxame, não há um canal de comunicação dedicado para troca de informações entre robôs; cada robô coleta informações sobre o ambiente de forma independente e decide independentemente sobre suas ações subseqüentes para contribuir para a tarefa de grupo. A ausência de comunicação entre robôs em um grupo sob estratégias de controle de enxame permite resolver com sucesso apenas aquelas tarefas que podem ser facilmente paralelas em subtarefas independentes não relacionadas. A principal vantagem das estratégias de controle de enxame é a escalabilidade: a complexidade computacional das tarefas de controle não aumenta com o aumento do tamanho do grupo de robôs, permitindo que as estratégias de enxame controlem grupos enormes de microrobôs. Métodos de inteligência de enxame, já utilizados para resolver muitos problemas práticos, podem ser aplicados para controlar grandes grupos de robôs, o que levou ao aparecimento de uma direção separada, a chamada robótica de enxame. Cada robô de grupo se comunica apenas com alguns robôs vizinhos que estão dentro da faixa de visibilidade limitada pelo alcance de seus dispositivos de telecomunicação (ou artificialmente limitada). Cada robô toma sua própria decisão sobre outras ações com base em regras locais simples. O robô tem acesso às informações sobre o ambiente que são coletadas por ele mesmo, assim como as informações sobre o ambiente e o estado de alguns robôs do grupo que lhe foram passadas por robôs vizinhos. O robô transmite os dados coletados sobre o meio ambiente e sua forma para o canal de comunicação. Estas informações ficam disponíveis para os robôs cuja linha de visão este robô entra (no caso do mesmo raio de visão, eles são os mesmos robôs vizinhos). Esta abordagem dá aos robôs mais informações sobre seu ambiente do que em estratégias de controle de enxame. As informações disponíveis dizem respeito à área ao seu redor, ou seja, são as mais relevantes. Ao mesmo tempo, a escalabilidade é preservada - o aumento do tamanho do grupo não aumenta a carga sobre os dispositivos de computação a bordo. Assim, os métodos de inteligência de enxame oferecem excelentes oportunidades para desenvolver microrobots aplicáveis em massa, permitindo o uso bem-sucedido de grandes grupos de microrobots. Entretanto, as conquistas da robótica de enxame são limitadas a alguns projetos experimentais; ainda são quase incomuns na prática.
Obstáculos no desenvolvimento de aplicações de grupos de micro-robôs
Um dos obstáculos aparentes ao desenvolvimento da robótica do enxame é que múltiplos grupos de microrobôs devem servir como objetos de controle, o que por sua vez implica na produção em massa de microrobôs a um custo relativamente baixo. O progresso da microeletrônica, mecatrônica e nanotecnologia sugere que a produção em massa de microrobots será possível e economicamente viável em breve.
O segundo obstáculo é a falta de teoria geral e de abordagens na criação e desenvolvimento de métodos de controle de enxame em grupos de robôs. Até hoje, grande parte da pesquisa tem se concentrado no uso de análogos naturais de métodos de inteligência de enxame para resolver problemas técnicos: formigas, abelhas, bandos de aves e cardumes de peixes, e sistemas imunológicos têm servido como protótipos para vários métodos de inteligência de enxame.
As diferenças nas tarefas e capacidades dos sistemas naturais e técnicos tornam um desafio encontrar e adaptar algoritmos naturais para resolver problemas técnicos. Vários tipos de pesquisa são dedicados à criação de métodos artificiais de inteligência de enxame, inicialmente destinados a resolver problemas práticos. Infelizmente, a falta de uma abordagem unificada complica estes estudos. Na verdade, cada novo problema é resolvido quase " do zero " cada vez. Espera-se que o uso de um sistema adequado para resolver várias tarefas simplifique significativamente a tarefa de organizar a interação dos enxames em grupos de micro-robôs aplicáveis em massa.
Pequenos robôs, perspectivas significativas
Os objetos de nível micro são governados por forças e leis muito diferentes daquelas de nível macro, portanto, a pesquisa básica sobre estes fenômenos parece inevitável. Um desafio significativo no uso de microrobôs móveis é conseguir um comportamento robótico previsível e controlável, incluindo o comportamento de enxameação. Além disso, os microrobôs utilizados para observações tanto com aplicações militares quanto civis precisam de fontes de energia confiáveis e de longo prazo. Tais aplicações também implicam em desafios significativos para o projeto de microrobôs, dependendo do ambiente de aplicação dos microrobôs voadores, rastejadores ou flutuantes. A comunicação em enxames de microrobôs também é um grande desafio nesta aplicação. Uma coisa é clara: embora muitos projetos e idéias de microrobôs ainda estejam em seus primórdios, esta indústria está preparada para um enorme crescimento, pois as oportunidades são abundantes. De acordo com a Energias Market Research, a taxa de crescimento anual acumulado composto para o mercado global de micro-robôs até 2024 será de 65% à medida que várias indústrias encontrarem aplicações para estas tecnologias.