Bandos de robôs de montagem mostram potencial para fazer estruturas maiores | Notícias do MIT

Os pesquisadores do MIT deram passos significativos para a criação de robôs que poderiam montar praticamente qualquer coisa de forma prática e econômica, incluindo coisas muito maiores do que eles, de veículos a edifícios e robôs maiores.

O novo trabalho, do Centro de Bits e Átomos (CBA) do MIT, baseia-se em anos de pesquisa, incluindo estudos recentes mostrando que objetos como uma asa de avião deformável e um carro de corrida em funcionamento podem ser montados a partir de peças idênticas minúsculas e leves – e que dispositivos robóticos poderiam ser construídos para fazer parte desse trabalho de montagem. Agora, a equipe mostrou que os robôs de montagem e os componentes da estrutura que está sendo construída podem ser feitos das mesmas subunidades, e os robôs podem se mover independentemente em grandes números para alcançar rapidamente montagens em grande escala.

O novo trabalho é relatado na revista Engenharia de Comunicações Naturaisem um artigo de Amira Abdel-Rahman, estudante de doutorado da ABC, Neil Gershenfeld, professor e diretor da ABC, e três outros.

Um sistema de montagem de robôs autorreplicantes totalmente autônomo capaz de montar estruturas maiores, incluindo robôs maiores, e planejar a melhor sequência de construção ainda está a anos de distância, diz Gershenfeld. Mas o novo trabalho faz um progresso significativo em direção a esse objetivo, incluindo a elaboração de tarefas complexas de quando construir mais robôs e quão grande eles devem ser, bem como organizar enxames de robôs de tamanhos diferentes para construir uma estrutura de forma eficiente, sem travar. . uns aos outros.

Como em experimentos anteriores, o novo sistema envolve grandes estruturas utilizáveis ​​construídas a partir de uma rede de minúsculas subunidades idênticas chamadas voxels (o equivalente volumétrico de um pixel 2D). Mas enquanto os voxels anteriores eram peças estruturais puramente mecânicas, a equipe agora desenvolveu voxels complexos que podem transportar energia e dados de unidade para unidade. Isso poderia permitir a construção de estruturas capazes não apenas de suportar cargas, mas também realizar trabalhos, como levantar, mover e manipular materiais, incluindo os próprios voxels.

“Quando construímos essas estruturas, é preciso incorporar inteligência”, diz Gershenfeld. Enquanto as versões anteriores dos robôs de montagem eram conectadas por chicotes de fios à sua fonte de energia e sistemas de controle, “o que surgiu foi a ideia de eletrônica estrutural – de fazer voxels que transmitem energia e dados, bem como força”. Olhando para o novo sistema em operação, ele destaca: “Não tem fios. Existe apenas a estrutura.

Os próprios robôs são constituídos por uma cadeia de vários voxels unidos de ponta a ponta. Estes podem agarrar outro voxel usando pontos de fixação em uma extremidade e, em seguida, mover-se como um verme para a posição desejada, onde o voxel pode se prender à estrutura em crescimento e ser liberado lá.

Gershenfeld explica que, embora o sistema anterior demonstrado por membros de seu grupo pudesse, em princípio, construir estruturas arbitrariamente grandes, à medida que o tamanho dessas estruturas crescia até certo ponto em relação ao tamanho do robô de montagem, o processo se tornaria cada vez mais ineficiente. os caminhos cada vez mais longos que cada bot teria que percorrer para levar cada peça ao seu destino. Nesse ponto, com o novo sistema, os robôs poderiam decidir que era hora de criar uma versão maior de si mesmos, que pudesse alcançar distâncias maiores e reduzir o tempo de viagem. Uma estrutura ainda maior pode exigir outra etapa, com novos robôs maiores criando robôs ainda maiores, enquanto partes de uma estrutura que incluem muitos detalhes finos podem exigir robôs menores.

Como esses dispositivos robóticos trabalham na montagem de algo, diz Abdel-Rahman, eles se deparam com escolhas em cada etapa do processo: “Ele pode construir uma estrutura, ou pode construir outro robô do mesmo tamanho, ou pode construir um maior robô.” Parte do trabalho em que os pesquisadores se concentraram é criar algoritmos para essa tomada de decisão.

“Por exemplo, se você quer construir um cone ou um hemisfério”, ela diz, “como você começa a planejar o caminho e como você divide essa forma” em diferentes áreas nas quais diferentes robôs podem trabalhar? O software que eles desenvolveram permite que alguém insira uma forma e obtenha uma saída que mostra onde colocar o primeiro bloco e cada um depois disso, com base nas distâncias que precisam ser percorridas.

Existem milhares de artigos publicados sobre planejamento de rotas para robôs, diz Gershenfeld. “Mas o próximo passo, onde o robô tem que tomar a decisão de construir outro robô ou outro tipo de robô, é novo. Não há realmente nada pré-existente sobre isso.

Enquanto o sistema experimental pode fazer a montagem e inclui links de energia e dados, nas versões atuais os conectores entre as minúsculas subunidades não são fortes o suficiente para suportar as cargas necessárias. A equipe, incluindo a estudante de pós-graduação Miana Smith, agora está focada no desenvolvimento de conectores mais fortes. “Esses robôs podem andar e colocar moedas”, diz Gershenfeld, “mas estamos quase – mas não exatamente – no ponto em que um desses robôs faz outro e se afasta. E isso depende dos ajustes finos , como a força do atuador e a força da junta…. Mas isso é longe o suficiente para que essas sejam as partes que chegarão lá.

Em última análise, esses sistemas podem ser usados ​​para construir uma ampla variedade de estruturas grandes e de alto valor. Por exemplo, atualmente a forma como os aviões são construídos envolve enormes fábricas com pórticos que são muito maiores do que os componentes que estão construindo, e então “quando você faz um jato jumbo, você precisa de jatos jumbo para transportar as peças do jato jumbo para fazê-lo, ” disse Gershenfeld. Com um sistema como este construído a partir de minúsculos componentes montados por minúsculos robôs, “a montagem final do avião é a única montagem”.

Da mesma forma, na produção de um carro novo, “você pode gastar um ano em ferramentas” antes que o primeiro carro seja realmente construído, diz ele. O novo sistema contornaria todo esse processo. Essas eficiências potenciais são o motivo pelo qual Gershenfeld e seus alunos trabalharam em estreita colaboração com montadoras, companhias aéreas e a NASA. Mas mesmo a indústria de construção civil de tecnologia relativamente baixa também pode se beneficiar.

Embora tenha havido um interesse crescente em casas impressas em 3D, elas hoje exigem máquinas de impressão tão grandes ou maiores que a casa que está sendo construída. Novamente, a possibilidade de que tais estruturas sejam montadas por enxames de pequenos robôs pode oferecer vantagens. E a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa também está interessada em trabalhar a possibilidade de construção de estruturas de proteção costeira contra erosão e aumento do nível do mar.

Aaron Becker, professor associado de engenharia elétrica e de computação da Universidade de Houston, que não esteve associado a esta pesquisa, chama o artigo de “um home run – [offering] um sistema de hardware inovador, uma nova maneira de pensar sobre escala de enxame e algoritmos rigorosos.

Becker acrescenta: “Este artigo examina uma área crítica de sistemas reconfiguráveis: como dimensionar rapidamente uma força de trabalho robótica e usá-la para montar materiais com eficiência em uma estrutura desejada. … Este é o primeiro trabalho que vejo que ataca o problema de uma perspectiva radicalmente nova – usando um conjunto bruto de peças de robô para construir um conjunto de robôs cujos tamanhos são otimizados para construir a estrutura desejada (e outros robôs) o mais rápido possível. possível.”

A equipe de pesquisa também incluiu Benjamin Jenett, aluno do MIT-CBA, e Christopher Cameron, que agora trabalha no Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA. O trabalho foi financiado pela NASA, pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e pelo financiamento da ABC Consortia.