A maioria das pessoas pensa na orla como a periferia da cidade. Uma equipe de pesquisadores do MIT a enxerga como um canteiro de obras dinâmico, semelhante a um Lego.

O novo sistema deles, chamado “ FloatForm ”, é um enxame de pequenos barcos robóticos quadrados que se auto-montam em estruturas maiores na água, se desmontam e se remontam em algo novo, tudo com mínima intervenção humana. 

Cada robô, com cerca de 21 centímetros quadrados do tamanho de um prato de jantar, é uma embarcação autossuficiente com seus próprios propulsores, sensores e travas magnéticas. Juntos, eles sugerem um futuro em que a infraestrutura flutuante poderá se tornar mais adaptável: uma plataforma temporária após uma emergência, um mercado em um canal ou um palco que surge para um festival e desaparece quando o público vai embora.

“Nossos projetos FloatForm vislumbram um futuro onde a orla se torna uma extensão programável da cidade, onde barcos autônomos podem se auto-organizar em pontes, plataformas e outras estruturas úteis sob demanda”, diz Daniela Rus, professora Panasonic de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação no MIT e diretora do Laboratório de Ciência da Computação e Inteligência Artificial (CSAIL) do MIT. “Esse tipo de robótica distribuída abre novas possibilidades para mobilidade, resposta a emergências, espaço público e infraestrutura na água.”

“Com o FloatForm, estamos essencialmente transformando superfícies de água estáticas em espaços dinâmicos e programáveis”, diz Wei Wang, autor principal de um novo artigo sobre o projeto e ex-cientista pesquisador do MIT, que agora lidera o Laboratório de Robótica Marinha da Universidade de Wisconsin-Madison. “Imagine um ambiente urbano onde o espaço público não é fixo, mas pode se expandir, contrair ou se reconfigurar autonomamente sob demanda.” 

“Enxergamos isso como a construção de infraestrutura sobre a água, usando um sistema modular para criar um sistema maior”, diz Alejandro Gonzalez-Garcia, ex-pesquisador do MIT CSAIL e do Senseable City Lab. “Em caso de emergência, você poderia construir uma nova ponte para aliviar o trânsito na cidade. Ou poderia criar mercados e palcos flutuantes. Se você quer uma cidade mais habitável, também precisa usar a água.”

O trabalho de acesso aberto, publicado hoje na Nature Communications , é fruto dos laboratórios de Rus e Carlo Ratti, professor de tecnologias e planejamento urbano no MIT e diretor do Senseable City Lab, e deriva do projeto Roboat , uma iniciativa conjunta com o Instituto de Soluções Metropolitanas Avançadas de Amsterdã, que colocou embarcações autônomas em tamanho real nos canais de Amsterdã. Esses canais, que antes transportavam mercadorias da cidade, hoje transportam principalmente turistas. 

“Exploramos a possibilidade de usar os canais para coleta de lixo ou para transporte, aliviando parte da pressão sobre as estradas e transferindo-a para a água”, diz Niklas Hagemann, estudante de pós-graduação em arquitetura do MIT, afiliado ao CSAIL e ex-pesquisador do Senseable City Lab, que trabalha no projeto desde o início. “As áreas urbanas estão ficando mais densas, então seria possível expandir o espaço público para a água, que atualmente está subutilizada?”

FloatForm reduz essa visão à escala de uma mesa para responder a uma pergunta mais complexa: como fazer com que dezenas, e eventualmente milhares, de robôs flutuantes se organizem sozinhos?

A equipe encontrou a resposta na biologia. As formigas-de-fogo são famosas por sobreviverem a inundações unindo seus corpos em jangadas vivas, sem um líder para orquestrar a montagem. Cada formiga segue regras locais simples, e uma estrutura resistente emerge.

“Cada formiga é um agente independente”, diz Gonzalez-Garcia. “Queríamos que cada robô tivesse suas próprias capacidades, da mesma forma que as colônias de formigas formam uma jangada.”

A maioria dos sistemas de robôs automontáveis existentes, tanto na água quanto em outros ambientes, depende de um computador central que dita cada movimento. Essa abordagem é vulnerável a pontos únicos de falha e tem baixa escalabilidade: o cálculo matemático do planejamento aumenta exponencialmente à medida que robôs são adicionados, e o enxame precisa ser montado sequencialmente, com a maioria dos robôs ociosos enquanto aguardam sua vez. O FloatForm inverte essa lógica. Um planejador central leve intervém apenas esporadicamente, atribuindo a cada robô uma posição final para aperfeiçoar a estrutura, um nível de precisão geométrica que métodos puramente distribuídos têm dificuldade em garantir. Todo o resto, incluindo a navegação em direção à forma desejada, a prevenção de colisões e a adaptação a perturbações, é executado pelos próprios robôs, que se coordenam trocando posições com seus vizinhos imediatos. Todo o enxame se move simultaneamente.

Esse paralelismo é o que diferencia o trabalho. A complexidade do planejamento da abordagem FloatForms depende apenas dos vizinhos locais de um robô, e não do tamanho total do enxame. "O que estamos tentando fazer é ter uma intervenção central mínima e fazer com que todos se movam juntos ao mesmo tempo", diz Gonzalez-Garcia.

Em experimentos no MIT, uma frota de oito robôs se reunia repetidamente a partir de posições aleatórias, formando um alvo predefinido, se encaixava em uma estrutura rígida, se separava sob comando, se remontava em uma nova configuração e, em seguida, atravessava a piscina como uma única embarcação. Cada percurso durava de quatro a oito minutos. Nesse modo final, chamado de transporte coletivo, um planejador traça uma trajetória para toda a estrutura e cada robô calcula sua própria contribuição. "Cada robô se torna um atuador", explica Gonzalez-Garcia. Simulações mostraram que a estrutura se adapta facilmente a enxames de até 64 robôs.

“A beleza dessa abordagem amplamente descentralizada é que o processamento computacional não fica sobrecarregado à medida que o enxame cresce”, diz Wang. “Quer você esteja trabalhando com oito barcos ou 80, toda a frota se coordena e se move simultaneamente. Como o tempo total de montagem não aumenta significativamente, em princípio, o sistema permanece altamente escalável.” 

Há também uma vantagem física em permanecerem juntos. "Nossos barcos ficam mais estáveis quando nos juntamos, como uma jangada de formigas, se houver ondas ou correntes", diz Hagemann.

Os robôs se conectam por meio de um mecanismo de encaixe totalmente oculto dentro de cada casco. Um único servomotor no centro aciona uma estrutura auxética inspirada em origami, uma geometria que se contrai uniformemente em todas as direções simultaneamente, puxando ímãs permanentes em todos os quatro lados para dentro para liberar, ou empurrando-os para fora para agarrar um vizinho através de vãos de 10 a 15 centímetros. Os ímãs são dispostos com polaridades alternadas, de modo que os barcos se encaixam de forma confiável em grades quadradas perfeitas.

A elegância do mecanismo reside no que ele não faz: consumir (muita) energia. Uma caixa de engrenagens impressa em 3D mantém a trava em qualquer um dos estados com o motor desligado. "Ela usa energia para travar e destravar, mas entre esses estados, não usa nenhuma energia", diz Hagemann. Para infraestruturas que podem manter uma configuração por horas, isso faz toda a diferença. "Como os robôs são muito pequenos, o tamanho da bateria é limitado", acrescenta Gonzalez-Garcia. "Se eles usam menos energia para travar, podem usar mais energia para computação ou para se movimentarem de fato."

Chegar a esse resultado exigiu um trabalho de engenharia desafiador. Quatro propulsores em miniatura, dispostos em forma de "X", conferem a cada robô movimento omnidirecional, incluindo a possibilidade de girar em torno do próprio eixo. No entanto, eles geram forças consideráveis em relação à pequena inércia dos robôs, o que tornava os primeiros protótipos instáveis e propensos a giros bruscos em baixas velocidades. A equipe adicionou aletas estabilizadoras para aumentar o arrasto hidrodinâmico e ajustou os controladores para garantir robustez entre os robôs que, nessa escala, nunca são exatamente idênticos. Os ímãs também apresentaram um problema: a fixação era tão forte que, às vezes, para soltá-los, os robôs precisavam se contorcer para se libertar.

Ao longo de 10 testes, o sistema completou suas missões sem intervenção humana em 90% das vezes com quatro robôs e em 70% com oito. Quando algo deu errado, a arquitetura demonstrou sua resiliência: um robô que perdeu brevemente a orientação conseguiu se reintegrar à estrutura sozinho, sem paralisar todo o enxame, e robôs presos em impasses de formação aprenderam a se desvencilhar e tentar novamente.

A transição de um tanque interno controlado para um canal ou porto real exigirá mais do que confiança. "Há sempre uma relação entre o tamanho de um barco e a magnitude da perturbação que ele consegue suportar", afirma Gonzalez-Garcia. "Esses barcos são muito pequenos, então, em águas muito agitadas, eles não funcionam." Aumentar a escala significará reforçar as travas, possivelmente com intertravamento mecânico como o usado no Roboat em tamanho real, e substituir o posicionamento ultrassônico interno do laboratório por GPS ou sensores baseados em visão. Felizmente, o algoritmo de coordenação foi projetado para ser independente do sensor: basta trocar os sensores e manter a lógica.

A equipe vislumbra aplicações que vão muito além dos canais urbanos, desde a formação de plataformas temporárias para inspeção e manutenção em alto-mar até redes de sensores adaptáveis para o estudo de espécies migratórias e estações de atracação reconfiguráveis para resposta a emergências em áreas de difícil acesso. Há também potencial para operações remotas e em alto-mar, desde plataformas de construção temporárias até monitoramento ambiental e expedições científicas.

E a geografia é vasta e aberta. "Veneza, Holanda, Bélgica, os fiordes e lagos da Noruega, praticamente qualquer cidade com um rio pode se beneficiar disso", diz Gonzalez-Garcia. "O projeto utiliza espaços onde a água já é importante, mas também levanta a questão: onde mais a água pode ser usada para algo mais?" 

“Este é um passo empolgante rumo à concretização de comportamentos coletivos distribuídos na água”, afirma Steven Ceron, professor assistente da Universidade de Michigan, que não participou da pesquisa. “A montagem, a autorreconfiguração e o movimento coletivo já são bastante complexos em ambientes secos, mas alcançar esses comportamentos de forma predominantemente distribuída na água representa um desafio adicional considerável, e esta equipe o superou de forma notável. Ao transferir a carga computacional para os próprios robôs, eles construíram um sistema mais resiliente que, em um futuro próximo, poderá permitir que coletivos de robôs como este sejam implantados em ambientes de mar aberto para operações de busca, monitoramento ambiental e infraestrutura marinha reconfigurável.”

Gonzalez-Garcia, Hagemann e Wang escreveram o artigo com os autores seniores Ratti, que também é professor no Politecnico di Milano, e Rus. Gonzalez-Garcia também é afiliado à Equipe de Pesquisa MECO da KU Leuven. A pesquisa foi financiada por uma bolsa do Instituto de Soluções Metropolitanas Avançadas de Amsterdã, com apoio adicional da Universidade de Wisconsin-Madison. A equipe agradece ao MIT Sea Grant e ao Professor Michael Triantafyllou por fornecerem o tanque de testes.