O robô MAMA BEAR da Universidade de Boston cria e testa autonomamente estruturas de absorção de energia, alcançando recentemente uma eficiência recorde de 75%, com aplicações que vão desde o transporte de materiais até equipamentos militares. Crédito: Devin Hahn, Boston University Productions
Um robô autônomo criou uma forma de absorção de choque que nenhum ser humano jamais conseguiria. Aprenda o que significa projetar capacetes, embalagens, pára-choques de carros mais seguros e muito mais.
Dentro dos limites de um laboratório na Faculdade de Engenharia da Universidade de Boston, um braço robótico deixa cair pequenos objetos de plástico em uma caixa colocada com precisão no chão para pegá-los quando caem. Um por um, esses pequenos objetos – peças cilíndricas leves como penas, com não mais que 2,5 centímetros de altura – preenchem a caixa. Alguns são azuis, outros vermelhos, roxos, verdes ou pretos.
Cada uma dessas estruturas é o resultado de um experimento de autonomia de robôs. Operando de forma independente e adaptando-se através da aprendizagem contínua, o robô está em busca de criar a forma de absorção de energia mais eficiente que já existiu.
O Processo de Inovação
Para fazer isso, o robô cria uma pequena estrutura de plástico com uma impressora 3D, registra sua forma e tamanho, move-a para uma superfície metálica plana – e depois a esmaga com uma pressão equivalente a um cavalo árabe adulto apoiado em uma moeda. O robô então mede quanta energia a estrutura absorveu, como sua forma mudou após ser comprimida e registra cada detalhe em um vasto banco de dados.
Em seguida, ele coloca o objeto amassado na caixa e limpa a placa de metal, pronta para imprimir e testar a próxima peça. Ele será ligeiramente diferente de seu antecessor, com design e dimensões ajustados pelo algoritmo de computador do robô com base em todos os experimentos anteriores – a base do que é chamado de otimização Bayesiana. Experimento após experimento, as estruturas 3D melhoram na absorção do impacto do esmagamento.
Dentro de um laboratório na Faculdade de Engenharia da Universidade de Boston, um braço robótico deixa cair pequenos objetos de plástico em uma caixa colocada perfeitamente no chão para pegá-los quando caem. Uma por uma, essas estruturas minúsculas – peças cilíndricas leves como penas, com não mais que 2,5 centímetros de altura – preenchem a caixa. Alguns são vermelhos, outros azuis, roxos, verdes ou pretos. Cada objeto é o resultado de um experimento de autonomia do robô. Sozinho, aprendendo à medida que avança, o robô procura e tenta criar um objeto com a forma de absorção de energia mais eficiente que já existiu. Crédito: Devin Hahn, Boston University Productions
Melhoria Contínua e Aplicações
Essas iterações incansáveis são possíveis graças ao trabalho de Keith Brown, professor associado de engenharia mecânica da ENG, e sua equipe no KABlab. O robô, denominado MAMA BEAR – abreviação de seu extenso título completo, Mechanics of Addiively Manufactured Architectures Bayesian Experimental Autonomous Researcher – evoluiu desde que foi conceituado pela primeira vez por Brown e seu laboratório em 2018. Em 2021, o laboratório havia colocado a máquina em seu busca fazer uma forma que absorva mais energia, propriedade conhecida como eficiência de absorção de energia mecânica. Esta iteração atual tem funcionado continuamente há mais de três anos, preenchendo dezenas de caixas com mais de 25.000 estruturas impressas em 3D.
Implicações práticas e realizações
Por que tantas formas? Existem inúmeros usos para algo que pode absorver energia com eficiência – por exemplo, amortecimento para eletrônicos delicados enviados para todo o mundo ou joelheiras e protetores de pulso para atletas. “Você poderia aproveitar essa biblioteca de dados para fazer pára-choques melhores em um carro ou equipamentos de embalagem, por exemplo”, diz Brown.
Para funcionar idealmente, as estruturas têm de atingir o equilíbrio perfeito: não podem ser tão fortes que causem danos a tudo o que deveriam proteger, mas devem ser fortes o suficiente para absorver o impacto. Antes do MAMA BEAR, a melhor estrutura já observada era cerca de 71% eficiente na absorção de energia, diz Brown. Mas numa tarde fria de janeiro de 2023, o laboratório de Brown viu o seu robô atingir 75% de eficiência, quebrando o recorde conhecido. Os resultados acabaram de ser publicados hoje (21 de maio) na revista Comunicações da Natureza.
“Quando começamos, não sabíamos se teríamos esse formato recorde”, diz Kelsey Snapp (ENG’25), estudante de doutorado no laboratório de Brown que supervisiona o MAMA BEAR. “Lentamente, mas com segurança, continuamos avançando e avançamos.”
Design que quebra recordes e outras inovações
A estrutura recorde não se parece com nada que os pesquisadores esperariam: tem quatro pontas, em forma de finas pétalas de flores, e é mais alta e mais estreita do que os primeiros designs.
“Estamos entusiasmados com o fato de haver tantos dados mecânicos aqui e de usá-los para aprender lições sobre design de maneira mais geral”, diz Brown.
Seus extensos dados já estão recebendo sua primeira aplicação na vida real, ajudando a informar o design de novos acolchoamentos de capacete para soldados do Exército dos EUA. Brown, Snapp e a colaboradora do projeto Emily Whiting, professora associada de ciência da computação da BU College of Arts & Sciences, trabalharam com o Exército dos EUA e passaram por testes de campo para garantir que os capacetes usando seu acolchoamento com patente pendente fossem confortáveis e fornecessem proteção suficiente contra impactos . A estrutura 3D usada para o acolchoamento é diferente da peça recordista – com centro mais macio e estatura mais curta para ajudar no conforto.
O papel crescente dos robôs autônomos na pesquisa
MAMA BEAR não é o único robô de pesquisa autônomo de Brown. Seu laboratório conta com outros robôs “BEAR” realizando tarefas diferentes – como o nano BEAR, que estuda o comportamento dos materiais em escala molecular usando uma tecnologia chamada microscopia de força atômica. Brown também tem trabalhado com Jörg Werner, professor assistente de engenharia mecânica da ENG, para desenvolver outro sistema, conhecido como PANDA – abreviação de Polymer Analysis and Discovery Array – BEAR para testar milhares de materiais poliméricos finos para encontrar aquele que funciona melhor em uma bateria.
“São todos robôs que fazem pesquisas”, diz Brown. “A filosofia é que eles estão usando aprendizado de máquina junto com a automação para nos ajudar a fazer pesquisas com muito mais rapidez.”
“Não apenas mais rápido”, acrescenta Snapp. “Você pode fazer coisas que normalmente não poderia fazer. Podemos alcançar uma estrutura ou objetivo que de outra forma não conseguiríamos, porque seria muito caro e demorado.” Ele trabalhou em estreita colaboração com o MAMA BEAR desde o início dos experimentos em 2021 e deu ao robô sua capacidade de ver – conhecida como visão de máquina – e limpar sua própria placa de teste.
O futuro da pesquisa autônoma
O KABlab espera demonstrar ainda mais a importância da investigação autónoma. Brown deseja continuar colaborando com cientistas de diversas áreas que precisam testar um número incrivelmente grande de estruturas e soluções. Embora já tenham quebrado um recorde, “não temos capacidade de saber se atingimos a eficiência máxima”, diz Brown, o que significa que é possível quebrá-lo novamente. Assim, o MAMA BEAR continuará funcionando, ampliando ainda mais os limites, enquanto Brown e sua equipe veem para quais outras aplicações o banco de dados pode ser útil. Eles também estão explorando como as mais de 25 mil peças trituradas podem ser desenroladas e recarregadas nas impressoras 3D para que o material possa ser reciclado para mais experimentos.
“Continuaremos estudando esse sistema, porque a eficiência mecânica, como tantas outras propriedades dos materiais, só é medida com precisão por meio de experimentos”, diz Brown, “e o uso de laboratórios autônomos nos ajuda a escolher os melhores experimentos e realizá-los o mais rápido possível”. o mais rápido possível.”
Referência: “Eficiência superlativa de absorção de energia mecânica descoberta por meio da parceria laboratório autônomo-humano” 21 de maio de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48534-4
