Robô do tamanho de um pássaro nada e decola da água apenas batendo as asas

Um robô do tamanho de um pássaro consegue nadar debaixo d’água e, em seguida, sair diretamente para o voo usando apenas o bater das asas. Até agora, nenhuma máquina dessa escala havia feito a passagem da água para o ar sem recorrer a hélices ou a algum tipo de sistema extra de lançamento.

A proposta abre caminho para uma forma mais barata de monitorizar o oceano: a máquina poderia voar até um ponto arriscado demais para um barco, mergulhar para recolher uma amostra ou fazer uma medição e depois voltar a subir para levar o material ou os dados de volta.

O projeto também entrega aos biólogos um modelo funcional para estudar como aves que caçam submersas lidam com dois fluidos que se comportam de maneiras totalmente diferentes.

Navegando no ar e na água

A água tem densidade cerca de mil vezes maior do que a do ar, e deslocar-se em cada meio exige mecânicas bastante distintas. Seguindo essa lógica, uma asa optimizada para um fluido deveria ter um desempenho muito fraco no outro.

As aves mergulhadoras contrariam essa ideia. Mergulhões, gaivotas, petréis e cerca de outras 100 espécies entram na água para perseguir peixes e depois irrompem de volta para o ar, retomando o voo.

O professor Raphael Zufferey, do Massachusetts Institute of Technology (MIT), dedicou dois anos a tentar reproduzir esse mesmo “truque”.

No seu laboratório no MIT, ele desenvolve máquinas pequenas, aéreas e aquáticas, inspiradas em como os animais se movimentam.

O trabalho acabou por envolver colaboradores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), na Suíça, e de uma faculdade tribal no estado de Washington, nos EUA.

Inspirado no voo das aves

Para entender como as aves conseguem fazer essa transição, a equipa reuniu dados publicados sobre papagaios-do-mar, martins-pescadores e outras espécies mergulhadoras, procurando o padrão por trás do movimento.

Os números encaixaram com clareza. Aves mergulhadoras menores batem as asas cerca de dez vezes por segundo no ar e por volta de quatro vezes por segundo debaixo d’água - um ritmo que o grupo poderia tentar reproduzir no hardware.

Mesmo assim, havia uma dúvida a pairar sobre toda a proposta: asas grandes ajudam a sustentar o voo, mas a água oferece muito mais resistência do que o ar; portanto, essas mesmas asas deveriam sofrer bastante quando submersas.

Quando a Earth.com perguntou o que mais surpreendeu a equipa, Zufferey respondeu: “Asas grandes não diminuem substancialmente a eficiência debaixo d’água, onde seria de se esperar que asas maiores tivessem de lutar contra uma força de arrasto maior.”

Esse achado afrouxou uma limitação que o grupo imaginava ter de enfrentar. Assim, o tamanho das asas pôde ser escolhido a pensar no voo, e não forçado a ser pequeno apenas para reduzir o arrasto.

Construindo a máquina

O protótipo mantém um formato básico semelhante ao corpo de uma ave e pesa menos de 0,23 kg.

Uma estrutura central fina abriga a bateria e um motor impermeabilizado que aciona um eixo com manivela, responsável por “bombear” as asas num ritmo definido. O sistema de accionamento era o maior entrave.

Em respostas à Earth.com, Zufferey apontou como desafio de engenharia mais difícil acomodar um único motor forte o suficiente para bater devagar debaixo d’água e rápido no ar, tudo isso completamente vedado contra a entrada de água.

Uma cauda pequena, com actuador motorizado, inclina-se para ajustar a atitude do robô: aponta o nariz para cima na subida ou para baixo no mergulho. As asas são membranas finas revestidas com partículas repelentes de água, que ajudam a “libertar” a superfície quando o robô se ergue para decolar.

Em vez de prender a electrónica dentro de uma carcaça impermeável volumosa, os engenheiros aplicaram uma camada fina de silicone em cada componente. Essa escolha manteve o conjunto leve.

A impermeabilização acrescentou cerca de 14 g, o que corresponde a perto de 5% do peso total, e ainda deixou o robô com flutuabilidade neutra - sem boiar nem afundar.

Construído para dois mundos

As asas podem ser removidas e trocadas por outras dimensões, e a equipa construiu três conjuntos com envergadura entre aproximadamente 0,6 m e 0,9 m.

Grande parte do desenvolvimento concentrou-se no bater das asas e na rigidez do material.

Se a asa ficasse mole demais, ela não sustentaria o robô no ar; se ficasse rígida demais, o movimento se tornaria agressivo demais para atravessar a água com eficiência.

Um veículo diferente, também de asas batentes, já tinha demonstrado propulsão subaquática de cerca de 0,9 m/s usando as próprias asas - um valor próximo do que este robô viria a alcançar mais tarde.

Rompendo a superfície

Os testes seguiram um procedimento padrão. A equipa posicionava o robô a cerca de 0,5 m de profundidade.

Depois, fixava as asas num ritmo específico e a cauda num ângulo definido, observando se o conjunto conseguia subir, romper a superfície e entrar em voo.

As tentativas começaram num tanque e, em seguida, passaram para o Lago de Genebra, na Suíça. As asas de tamanho intermédio foram as que deram melhor resultado.

Ao deslocar-se logo abaixo da superfície, o robô nadou perto de 0,9 m/s enquanto batia as asas em torno de cinco vezes por segundo.

No ar, atingiu aproximadamente 6,1 m/s com um ritmo semelhante, alinhando-se às velocidades registadas em aves mergulhadoras reais. Porém, a passagem entre os meios exigiu mais do que isso.

Voo da água para o ar

Para atravessar a interface e sair da água, o robô precisou dobrar a cadência para cerca de dez batidas por segundo e manter o corpo num ângulo acentuado de 70 graus - quase no limite em que voltaria a cair de regresso na água.

Esse ângulo evita que as pontas das asas “agarrem” a superfície enquanto empurram o robô para cima. E a surpresa apareceu no que não foi necessário.

A maioria das aves mergulhadoras dá impulso com os pés ao decolar, chutando enquanto batem as asas e inclinam o corpo. Antes deste trabalho, não estava claro se um robô precisaria do mesmo empurrão.

Resultados anteriores só tinham aparecido na escala de insectos, com um robô minúsculo capaz de bater as asas alternando entre água e ar. Aqui, a saída ocorreu com asas e mais nada - sem qualquer “chute”.

Debaixo d’água, as mesmas asas também puderam reduzir drasticamente a potência: quando o robô precisava apenas planar, a batida desacelerava para um único ciclo a cada dez segundos.

O intervalo enorme entre esse deslize lento e o lançamento frenético evidencia a amplitude de funcionamento que as membranas flexíveis conseguem oferecer.

Um salto mais simples

Transições anteriores da água para o ar normalmente dependiam de hardware mais pesado. Num projecto antigo em que Zufferey participou, por exemplo, o robô levava um combustível que reagia com a água do lago para produzir gás.

O disparo resultante projectava o robô para fora da superfície com uma força muitas vezes superior ao próprio peso. Outros grupos optaram por hélices ou rotores basculantes para vencer a fronteira entre água e ar.

Confiar apenas nas asas reduz massa. Ao apoiar-se nelas, grande parte dessa maquinaria deixa de ser necessária - e isso ajuda a explicar por que um salto nessa escala, equivalente à de uma ave, ficou fora de alcance durante tanto tempo.

O futuro do voo

Agora, a equipa está a redesenhar as asas para que possam rodar além de apenas bater para cima e para baixo, o que permitiria ao robô manobrar de forma mais próxima à de uma ave verdadeira.

Também estão previstos testes mais severos: fazê-lo sair de água agitada e enfrentar rajadas de vento, em vez da calma de um tanque. A ambição é tornar a ciência do oceano mais barata e mais frequente.

Navios e sensores ancorados custam caro e deslocam-se lentamente; assim, uma pequena frota desses robôs poderia alcançar áreas difíceis ou perigosas para amostrar e trazer as medições de volta.

Zufferey imagina vários desses robôs cobrindo ao mesmo tempo uma ampla grelha sobre a água, colectando dados muito mais vezes do que embarcações tripuladas conseguem.

Futuras missões no oceano

Uma única unidade poderia mergulhar num recife de coral ou numa floração de algas e depois voar de volta com os dados.

Ao falar com a Earth.com, Zufferey afirmou: “Também poderíamos coletar amostras em locais perigosos para humanos.”

Ele citou águas poluídas, as bordas de plataformas de gelo e lagos vulcânicos como exemplos de áreas que um robô pequeno poderia explorar no lugar de uma pessoa.

A novidade é directa: agora, uma máquina do tamanho de um pássaro pode nadar submersa, romper a superfície e subir para o voo usando apenas as próprias asas, sem pés para impulsionar e sem lançamento químico de apoio.

Este robô tem potencial para transformar a amostragem oceânica em algo feito por hora, e não por estação. Ao mesmo tempo, oferece aos biólogos um substituto controlável das aves que o inspiraram.

Crédito da imagem: Raphael Zufferey (MIT)