Microrrobô em forma de anel nada autonomamente em líquidos viscosos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/10/2024

O conceito foi desenvolvido em 1977, mas ninguém havia conseguido torná-lo simples o bastante para se tornar prático.
[Imagem: Hao Zeng/Tampere University]

Anel robótico

Um pequeno anel robótico, impulsionado por luz, consegue se mover autonomamente em líquidos viscosos, como mel, géis ou mesmo muco.

Esta inovação marca um grande passo à frente no desenvolvimento de microrrobôs capazes de navegar em ambientes complexos, com aplicações promissoras em campos como medicina e monitoramento ambiental.

A natureza criou métodos engenhosos para que os microrganismos naveguem em seus ambientes tipicamente viscosos. Por exemplo, bactérias E. coli empregam movimentos de saca-rolhas, cílios se movem em ondas coordenadas e flagelos impulsionam seus detentores por meio de uma batida semelhante a um chicote. No entanto, nadar nessa escala é semelhante a um humano tentando nadar através do mel, devido às forças viscosas avassaladoras.

Zixuan Deng e seus colegas das universidades Tampere (Finlândia) e Anhui Jianzhu (China) descobriram como enfrentar esse desafio.

Para criar seu anel robótico - a equipe o chama de microrrobô toroidal - os pesquisadores usaram um material sintético conhecido como elastômero líquido cristalino. Esse elastômero reage a estímulos de luz e calor, por exemplo disparados por um feixe de laser. Quando aquecido, o material gira por conta própria devido a um modo especial de energia elástica zero, causado pela interação de forças estáticas e dinâmicas.

"As implicações desta pesquisa vão além da robótica, potencialmente impactando campos como medicina e monitoramento ambiental. Por exemplo, esta inovação poderia ser usada para transporte de medicamentos através de muco fisiológico e desobstrução de vasos sanguíneos após a miniaturização do dispositivo," disse Deng.

Esquema do processo de locomoção do robô, baseado na energia elástica zero.
[Imagem: Zixuan Deng et al. - 10.1038/s41563-024-02026-4]

Formato de anel simplifica controle de robôs nadadores

O físico Edward Purcell foi o primeiro, em 1977, a imaginar uma topologia toroidal - um formato de rosquinha - para melhorar a navegação de organismos microscópicos em ambientes onde as forças viscosas são dominantes e as forças inerciais são desprezíveis. Essas condições são conhecidas como regime de Stokes, ocorrendo em números de Reynolds muito baixos, normalmente menores que 1, tornando o fluxo do fluido suave e laminar, sem turbulência.

Embora parecesse promissor, foram necessários quase 50 anos para que o primeiro robô nadador toroidal fosse demonstrado na prática.

O feito da equipe consistiu justamente em simplificar as coisas, eliminando a necessidade de arquiteturas complexas: Usando um único feixe de luz para desencadear um movimento não recíproco, os microrrobôs toroidais tiram proveito do modo de energia elástica zero para determinar seus movimentos de forma autônoma - parece um nome complicado, mas o modo de energia elástica zero é uma configuração na qual nenhum componente do sistema está armazenando energia potencial elástica, como uma mola comprimida.

"Nossa inovação permite natação livre tridimensional no regime de Stokes e abre novas possibilidades para explorar espaços confinados, como ambientes microfluídicos. Além disso, esses robôs toroidais podem alternar entre os modos de rolamento e autopropulsão para se adaptarem ao seu ambiente," disse Deng.

A equipe agora pretende estudar as interações e a dinâmica coletiva de múltiplos microrrobôs toroidais operando no mesmo ambiente, eventualmente desenvolvendo métodos de comunicação entre esses microrrobôs para a execução de tarefas mais complexas.

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