Um amigo fóssil

Fazer caminhar um robô com patas não é tão simples como parece. Coordenar o movimento de todas as suas articulações para conseguir movimentos suaves, próximos dos animais reais, requer engenharia avançada e observação atenta dos animais em movimento. Mas e se não soubermos exatamente como o animal se parece ou move, uma vez que está extinto há 300 milhões de anos?

Esta é a história de Orobates pabsti, um tetrápode precoce que viveu milhões de anos antes da existência dos dinossauros. Os seus ossos fossilizados foram recuperados em 2004 no que hoje é a Alemanha. O excelente estado de conservação dos seus ossos fossilizados, quase completo e articulado, foi complementado com pegadas fossilizadas, igualmente encontradas na região. Isto ajudou engenheiros como eu no laboratório de biorrobótica da EPFL (em colaboração com Tomislav Horvat e Auke Ijspeert) e uma fantástica equipa de biólogos (liderados por John Nyakatura na Universidade Humboldt de Berlim) a reconstruir a sua locomoção com a ajuda de um robô.

Mas porque é que a locomoção de Orobates é importante? Orobates é um candidato ideal para compreender a evolução dos vertebrados terrestres (incluindo humanos como nós). Estes animais representam a transição de um estilo de vida anfíbio para vertebrados terrestres capazes de pôr ovos na terra. Isto coloca-os na árvore evolutiva entre os anfíbios e os animais mais evoluídos, incluindo répteis, aves e mamíferos. Portanto, parece ser crucial estudar se Orobates poderia ou não caminhar em terra. Por exemplo, para ajudar a esclarecer sobre quando o território continental foi finalmente colonizado por animais. As experiências de locomoção com animais vivos são difíceis mas com um animal extinto é, de facto, impossível. Precisávamos de encontrar uma forma de reconstruir objetivamente a locomoção de Orobates. Pensamos que a simulação por computador era uma boa ferramenta de o fazer, mas a locomoção com patas é difícil de simular. Os impactos intermitentes das patas com o solo, o atrito de contacto e a dinâmica geral do corpo móvel de Orobates exigiram uma verificação do mundo real para serem válidos. Foi por este motivo que reconstruímos o fóssil de Orobates com um robô físico. Este robô era uma versão em escala do fóssil, quase duplicando o seu tamanho. A distribuição da massa e outros parâmetros dinamicamente relevantes — como a velocidade a que o robô deve mover-se — foram estudados minuciosamente de modo a ter significado tanto biológico como de engenharia.

A construção deste robô permitiu-nos testar uma série de possíveis marchas que presumivelmente Orobates executava enquanto vivo. Observámos outros animais modernos cuja morfologia é semelhante à de Orobates, tal como uma salamandra, um caimão, uma iguana e um lagarto. Notámos que as suas marchas diferem na altura do corpo, no alcance do movimento da coluna vertebral e nas rotações das patas à medida que as balançam. Estas características criam um espaço onde é possível comparar os dados dos animais vivos e os possíveis movimentos do robô. Testámos uma série de marchas neste espaço para tentar encontrar os mais estáveis e energeticamente eficientes, que utilizavam padrões de força semelhantes aos dos animais vivos e cuja precisão correspondia às pegadas. Descobrimos que os movimentos mais prováveis utilizados por Orobates para se deslocar eram bastante semelhantes aos do caimão. Isto sugeriu que a sua locomoção estava bastante avançada, em comparação com o que se pensava destes tetrápodes primitivos.

Ensaio de campo em África

Os testes com o robô foram também uma experiência fantástica. Parecia estar vivo. Para controlar esta máquina, era necessário resolver os problemas dinâmicos e cinemáticos inversos, de modo a coordenar o movimento das patas e da coluna vertebral. Para conseguir uma locomoção suave, o computador de bordo do robô envia comandos para os motores a uma velocidade de cerca de 100 vezes por segundo. Os atuadores utilizados são acionados por um potente e eficiente motor DC maxon. Utilizámos 28 atuadores, cinco por pata e oito na coluna vertebral. Foram poucas as vezes que um robô tão complexo e semelhante a um animal real foi controlado para executar todas estes diversos movimentos.

Utilizámos a nossa experiência no design e controlo de robôs de postura abdutora para criar o robô de Orobates. Depois de fazer ciência com o robô salamandra Pleurobot (ver revista Driven, em 2018), também nos inspirámos na marcha e morfologia dos crocodilos do Nilo e monitorizamos lagartos para construir e testar no campo dois desses robôs. Trabalhámos com a BBC e filmámos documentários sobre a vida selvagem em África. A série televisiva Spy in the Wild apresenta os nossos robôs rodeados de animais selvagens, nas margens do rio Nilo. Estes robôs sobreviveram a duas semanas intensas de filmagens, em condições ambientais extremas, e proporcionaram-nos novas ideais para um design robusto destinado aos cenários complexos do mundo real. É o caso dos robôs K-Rock concebidos para cenários de catástrofe. Graças à sua postura, têm a capacidade de caminhar em passagens estreitas e, uma vez que são anfíbios, podem nadar e caminhar em áreas inundadas e cheias de detritos e obstáculos.

O desenvolvimento destes robôs, primeiro com o Laboratório de Biorrobótica da EPFL e agora na minha empresa privada KM-RoBoTa (parte do programa YEP da maxon e uma das start-ups presentes no Laboratório de Inovação maxon em Lausana), estabelece o padrão para o design robusto de robôs semelhantes a animais, que são inspirados em animais reais e cujas capacidades de mobilidade têm grande potencial para serem utilizados quer para aplicações científicas quer para aplicações de engenharia.

Os atuadores do futuro

Avanços na robótica como estes fazem-nos refletir sobre os mecanismos de atuação que utilizamos atualmente. Com a tecnologia atual, podemos ser rápidos mas não podemos mover altas inércias de forma rápida e eficiente (permitindo impactos, movimentos explosivos, etc.). Além disso, para aumentar o binário, utilizamos caixas de redutores que afetam a transparência do controlo do movimento por inércia e fricção, reduzindo a largura de banda do atuador. As novas formas de criar melhores atuadores a diferentes escalas, da robótica suave aos atuadores propriocetivos de alta potência, são frequentemente acompanhados por sistemas periféricos volumosos — reduzindo a potência e a densidade de binário — ou por uma elevada procura de potência que excede os requisitos de dissipação.

Passo a passo, tal como o robô Orobates seguiu as suas pegadas, estamos a conceber uma melhor tecnologia de atuação. Mas ainda estamos longe de oferecer aos nossos robôs as desejadas capacidades reais, semelhantes às dos animais. Pelo menos em comparação com o que os músculos dos animais são capazes de fazer. Na próxima década, assistiremos a um longo, mas entusiasmante, caminho de investigação e desenvolvimento relativamente à atuação e design robótico.

Por Kamilo Melo

Bibliografia

John A. Nyakatura*, Kamilo Melo*, Tomislav Horvat*, Kostas Karakasiliotis, Vivian R. Allen, Amir Andikfar, Emanuel Andrada, Patrick Arnold, Jonas Lauströer, John R. Hutchinson, Martin S. Fischer e Auke J. Ijspeert. Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote. Nature 565, 351–355; 2019. *Gleichberechtigte Autorenbeiträge.

DOI: 10.1038/s41586-018-0851-2

O autor Kamilo Melo cresceu em Duitama e Bogotá, Colômbia, e vive agora em Renens, Vaud. Estudou engenharia elétrica e mecânica, tendo obtido um doutoramento em robótica. Depois de trabalhar como pós-doutorado na EPFL de Lausana, faz agora trabalho de investigação para a sua própria empresa de robótica KM-RoBoTa.