Novo robô batedor nada e voa como uma ave mergulhadora

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Mobelhas, gaivotas, papagaios-do-mar e petréis são algumas das 100 espécies de aves que conseguem tanto voar como nadar. Estas aves mergulhadoras conseguem lançar-se à água para nadar atrás de presas e voltar a saltar para o ar para voar.

Inspirados por estes aviadores aquáticos naturais, engenheiros do MIT e da EPFL, em Lausanne, na Suíça, conceberam um robô capaz de nadar debaixo de água e depois bater as asas para sair da água e continuar a voar pelo ar, à semelhança das aves mergulhadoras.

O «veículo aéreo-aquático de asas batedoras», ou FAAV, pesa menos de 300 gramas (cerca de meia libra) e foi concebido para ajudar os cientistas a estudar os mecanismos que permitem às aves mergulhadoras voar pelo ar e pela água.

O robô tem um corpo central, ou fuselagem; duas asas flexíveis e batedoras; e uma cauda direccionável. As asas e a cauda podem ser trocadas por outras de tamanhos diferentes. Em experiências realizadas num tanque de água e num lago local, os engenheiros identificaram combinações de tamanho de asa, frequência de batimento e ângulo de cauda que permitem ao robô fazer a transição suave entre nadar debaixo de água, romper a superfície e voar pelo ar.

Os resultados, publicados hoje na revista Science, poderão ajudar os cientistas a compreender como as aves mergulhadoras adaptam a sua mecânica de voo para se deslocarem no ar e na água — meios com propriedades físicas muito diferentes. O design poderá também dar origem a uma nova classe de drones e veículos aéreo-aquáticos. Os investigadores imaginam que estes robôs alados poderiam ser utilizados em oceanografia para voar até regiões aquáticas e recolher amostras em locais demasiado perigosos para os navios oceanográficos tradicionais.

«O nosso sonho é que oceanógrafos, biólogos marinhos e membros de comunidades costeiras possam lançar este robô a partir de um barco, ou a partir da costa, e que ele voe até perto da área de interesse, como um icebergue, uma instalação portuária, ou sobre um grupo de baleias», diz Raphael Zufferey, professor assistente de engenharia mecânica no MIT. «Mergulharia na água para fazer uma medição ou recolher uma amostra, e voaria de volta para entregar os dados a uma fracção do custo dos métodos tradicionais. Depois, poderia voltar a sair para mergulhar de novo.»

Zufferey é o autor principal do novo estudo, que conta com coautores da EPFL e do Northwest Indian College, em Bellingham, Washington.

Mecânica de voo

No MIT, Zufferey dirige o AURA Lab, onde ele e os seus alunos concebem veículos aéreos e aquáticos inspirados na biomecânica da natureza. Os robôs que constroem são de pequena dimensão e concebidos para explorar e monitorizar, de forma discreta, a saúde dos oceanos e das vias navegáveis.

Para este novo trabalho, a equipa pretendia conceber um veículo capaz de voar no ar e debaixo de água. Qualquer veículo desse tipo teria de se adaptar e fazer a transição entre duas substâncias muito diferentes. A água é mil vezes mais densa do que o ar, e deslocar-se num ou noutro meio exige mecânicas muito distintas. Ou pelo menos é isso que se poderia supor.

«É preciso fazer algumas adaptações para que essa transição funcione. Mas existe uma solução na natureza», diz Zufferey. «Aves como os papagaios-do-mar conseguem voar muito depressa pelo ar e conseguem mergulhar e nadar na água a velocidades de 3 metros por segundo. São capazes de fazer coisas verdadeiramente extraordinárias. Por isso, sabíamos que era possível. Só que ninguém tinha ainda tentado isto num sistema robótico móvel.»

Para perceberem como voam as aves mergulhadoras, a equipa consultou a literatura científica e reuniu dados disponíveis sobre papagaios-do-mar, petréis, guarda-rios e outras aves mergulhadoras. Observaram que as aves mais pequenas batem as asas cerca de 10 vezes por segundo quando voam pelo ar, e cerca de quatro vezes por segundo quando nadam na água. As aves maiores têm uma frequência de batimento ligeiramente inferior, tanto no ar como na água, devido à sua maior envergadura.

Tendo em conta a biomecânica das aves, a equipa desenvolveu um robô alado concebido para bater as asas a frequências semelhantes às das verdadeiras aves mergulhadoras.

Dar o salto

O novo robô assemelha-se vagamente a uma ave, com um corpo, duas asas e uma cauda. O corpo contém uma bateria e um motor eléctrico estanque que acciona uma cambota, que por sua vez faz subir e descer as asas a frequências pré-definidas. As asas são feitas de membranas finas revestidas com nanopartículas hidrófobas para ajudar a repelir a água. E a cauda é motorizada, permitindo alterar o seu ângulo para ajudar o robô a subir ou a mergulhar.

As asas podem ser trocadas por outras de tamanhos diferentes. Os investigadores fabricaram e testaram três conjuntos de asas: pequenas (60 centímetros de largura), médias (80 centímetros) e grandes (100 centímetros). Realizaram experiências, primeiro num pequeno tanque de água e depois no Lago Genebra, na Suíça.

Nos seus testes, colocaram o robô debaixo de água, cerca de meio metro abaixo da superfície. Programaram as asas para baterem a determinadas frequências e a cauda para se inclinar em certos ângulos ao longo do voo do robô. De seguida, observaram em que condições o robô conseguia nadar com sucesso até à superfície, sair da água e entrar no ar.

O robô realizou vários voos com diferentes tamanhos de asas, frequências de batimento e ângulos de cauda. Em geral, a equipa constatou que o robô conseguia voar, nadar e fazer a transição entre a água e o ar de forma fiável quando voava com asas de tamanho médio. A flexibilidade das asas é fundamental; as asas precisam de ser suficientemente flexíveis para minimizar a amplitude do batimento na água e, ao mesmo tempo, suficientemente firmes para manter o robô no ar quando voa.

Os investigadores descobriram ainda que o robô conseguia nadar na água a velocidades de quase 1 metro por segundo quando batia as asas a uma frequência de cerca de 5 hertz, ou seja, cinco batimentos por segundo. O robô conseguia voar pelo ar a cerca de 6 metros por segundo, batendo as asas a uma frequência semelhante. As velocidades e as frequências de batimento do robô eram semelhantes às das verdadeiras aves mergulhadoras.

Para conseguir dar o salto da água para o ar, os investigadores concluíram que o robô devia estar inclinado a 70 graus — um ângulo relativamente acentuado que evita que as pontas das asas do robô toquem na superfície da água enquanto bate as asas para subir ao ar. Com um ângulo mais acentuado, o robô cairia novamente para a água.

Curiosamente, esta combinação de tamanho de asa, frequência de batimento e ângulo de cauda permitiu ao robô nadar debaixo de água, lançar-se a partir da superfície e voar, sem algo que muitas aves mergulhadoras necessitam: pés. Quando aves como os papagaios-do-mar e os patos descolam da superfície da água, remam com os pés, além de baterem as asas e inclinarem a cauda. Surpreendentemente, Zufferey e os seus colegas descobriram que, pelo menos em robótica, o acto de voar para fora de água não exige necessariamente uma manobra de remar.

«Se olharmos para as aves, a maioria precisa de remar à superfície para descolar. E a questão era: será que os robôs precisam do mesmo? E acontece que não», diz Zufferey.

De futuro, a equipa está a aperfeiçoar o design das asas para que estas consigam também virar, além de bater para cima e para baixo. Vão também testar o desempenho do robô em condições turbulentas, como sair de águas agitadas e voar através do vento. Depois, esperam colocar o veículo ao serviço da investigação em ciência oceânica.

«Um dos grandes desafios da ciência oceânica é recolher dados com frequência e em muitos locais diferentes, algo que este robô poderá vir a fazer no futuro», diz Zufferey. «Poder-se-ia enviá-lo não apenas todas as semanas, mas de hora a hora. Poderia voar a alta velocidade, mergulhar, voar de volta, entregar os seus dados e sair de novo, várias vezes.»

Este trabalho foi financiado, em parte, por uma bolsa das Acções Marie Skłodowska-Curie.