Os músculos são sistemas notavelmente eficazes para gerar força controlada, e os engenheiros que desenvolvem hardware para robôs ou próteses têm lutado há muito tempo para criar análogos que possam se aproximar de sua combinação única de força, resposta rápida, escalabilidade e controle. Mas agora, pesquisadores do MIT Media Lab e do Politecnico di Bari, na Itália, desenvolveram fibras musculares artificiais que se aproximam bastante de muitas dessas qualidades.

Assim como as fibras que se agrupam para formar os músculos biológicos, essas fibras podem ser organizadas em diferentes configurações para atender às demandas de uma determinada tarefa. Ao contrário dos sistemas de atuação robótica convencionais, elas são suficientemente flexíveis para interagir confortavelmente com o corpo humano e operar silenciosamente, sem motores, bombas externas ou outros componentes volumosos.

Os novos músculos de fibra eletrofluídica — atuadores acionados eletricamente e construídos em formato de fibra — são descritos em um artigo recente publicado na  revista Science Robotics . O trabalho é liderado por Ozgun Kilic Afsar, candidata a doutorado no Media Lab; Vito Cacucciolo, professor do Politecnico di Bari; e quatro coautores.

O novo sistema reúne duas tecnologias, explica Afsar. Uma delas é um músculo artificial acionado por fluido, conhecido como atuador McKibben fino, e a outra é uma bomba de estado sólido miniaturizada baseada em eletro-hidrodinâmica (EHD), que pode gerar pressão dentro de um compartimento de fluido selado sem partes móveis ou suprimento externo de fluido.

Até agora, a maioria dos atuadores flexíveis acionados por fluido dependia de uma infraestrutura hidráulica externa "pesada, volumosa e, muitas vezes, ruidosa", diz Afsar, "o que dificulta sua integração em sistemas onde a mobilidade ou um design compacto e leve são importantes". Isso criou um gargalo fundamental no uso prático de atuadores fluidos em aplicações reais.

A chave para superar esse gargalo foi o uso de bombas integradas baseadas em princípios eletro-hidrodinâmicos. Essas bombas de escala milimétrica, acionadas eletricamente, geram pressão e fluxo injetando carga em um fluido dielétrico, criando íons que arrastam o fluido consigo. Pesando apenas alguns gramas cada e com uma espessura não muito maior que a de um palito de dente, elas podem ser fabricadas continuamente e escalonadas com facilidade. "Integramos essas bombas de fibra em um circuito fluido fechado com os finos atuadores McKibben", diz Afsar, observando que essa não foi uma tarefa simples, dadas as diferentes dinâmicas dos dois componentes.

Uma estratégia de design fundamental foi emparelhar essas fibras no que se conhece como configurações antagônicas. Cacucciolo explica que é quando “um músculo se contrai enquanto outro se alonga”, como quando você dobra o braço e o bíceps se contrai enquanto o tríceps se alonga. Em seu sistema, uma bomba de fibra em escala milimétrica fica entre dois atuadores McKibben de escala semelhante, impulsionando fluido para um atuador para contraí-lo enquanto relaxa simultaneamente o outro.

“Isso lembra muito a configuração e organização dos músculos biológicos”, diz Afsar. “Não escolhemos essa configuração apenas por biomimética, mas porque precisávamos de uma maneira de armazenar o fluido dentro da estrutura muscular.” A necessidade de um reservatório externo aberto à atmosfera tem sido um dos principais fatores que limitam o uso prático de bombas EHD em sistemas robóticos fora do laboratório. Ao acoplar duas fibras McKibben em linha, com uma bomba de fibra entre elas para formar um circuito fechado, a equipe eliminou completamente essa necessidade.

Outra descoberta fundamental foi que as fibras musculares precisavam ser pré-pressurizadas, em vez de simplesmente preenchidas. "Existe uma pressão interna mínima que o sistema pode tolerar", diz Afsar, "abaixo da qual a bomba pode se degradar ou parar de funcionar temporariamente". Isso acontece devido à cavitação, na qual bolhas de vapor se formam quando a pressão na entrada da bomba cai abaixo da pressão de vapor do líquido, levando eventualmente à ruptura dielétrica.

Para evitar a cavitação, eles aplicaram uma pressão de "polarização" desde o início, de modo que a pressão na entrada da bomba de fibra nunca caísse abaixo da pressão de vapor do líquido. A magnitude dessa pressão de polarização pode ser ajustada dependendo da aplicação. "Para obter a contração máxima que o músculo pode gerar, descobrimos que existe uma faixa específica de pressão de polarização que é ideal", diz ela. "Se você quiser configurar o sistema para uma resposta mais rápida, pode aumentar essa pressão de polarização, embora com alguma redução na contração máxima."

Cacucciolo acrescenta que a maioria dos membros e mãos robóticas atuais são construídas em torno de servomotores elétricos, cuja configuração difere fundamentalmente da dos músculos naturais. Os servomotores geram movimento rotacional em um eixo que precisa ser convertido em movimento linear, enquanto as fibras musculares se contraem e se estendem naturalmente de forma linear, assim como essas fibras eletrofluídicas. 

“A maioria dos braços robóticos e robôs humanoides são projetados em torno dos servomotores que os acionam”, diz ele. “Isso cria restrições de integração, porque os servomotores são difíceis de compactar e tendem a concentrar massa perto das articulações que acionam. Por outro lado, músculos artificiais em forma de fibra podem ser compactados dentro de um robô ou exoesqueleto e distribuídos por toda a estrutura, em vez de concentrados perto de uma articulação.”

Esses músculos eletrofluídicos podem ser especialmente úteis para aplicações vestíveis, como exoesqueletos que ajudam uma pessoa a levantar cargas mais pesadas ou dispositivos de assistência que restauram ou aumentam a destreza. Mas os princípios subjacentes também podem ser aplicados de forma mais ampla. "Nossas descobertas se estendem a sistemas robóticos acionados por fluidos em geral", diz Cacucciolo. "Sempre que atuadores fluidos forem usados, ou onde os engenheiros quiserem substituir bombas externas por internas, esses princípios de design podem ser aplicados a uma ampla gama de sistemas robóticos acionados por fluidos."

Este trabalho “representa um grande avanço na atuação flexível em formato de fibra”, que “aborda diversos obstáculos de longa data na área, particularmente em relação à portabilidade e à densidade de potência”, afirma Herbert Shea, professor do Laboratório de Transdutores Flexíveis da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça, que não esteve associado a esta pesquisa. “A ausência de partes móveis na bomba torna esses músculos silenciosos, uma grande vantagem para dispositivos protéticos e roupas de assistência”, completa.

Shea acrescenta que “este trabalho rigoroso e de alta qualidade preenche a lacuna entre a dinâmica de fluidos fundamental e as aplicações práticas em robótica. Os autores fornecem uma solução completa em nível de sistema — caracterizando os componentes individuais, desenvolvendo um modelo físico preditivo e validando-o por meio de uma série de demonstrações.”

Além de Afsar e Cacucciolo, a equipe também incluiu Gabriele Pupillo e Gennaro Vitucci, do Politecnico di Bari, e Wedyan Babatain e o professor Hiroshi Ishii, do MIT Media Lab. O trabalho foi financiado pelo Conselho Europeu de Investigação e pelo consórcio multifinanciado do Media Lab.