Um equipe colaborativa de pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, do Instituto de Tecnologia da Geórgia e da Universidade Ajou na Coreia do Sul revelou que as exclusivas hélices em forma de leque dos insetos striders Rhagovelia – que permitem que eles deslizem sobre córregos de alta velocidade – se abrem e fecham passivamente, como um pincel, dez vezes mais rápido do que o piscar de olhos. Inspirada por essa inovação biológica, a equipe desenvolveu um robô revolucionário em escala de inseto que incorpora ventiladores autotransformáveis projetados para imitar os movimentos ágeis dos insetos Rhagovelia. Este estudo destaca como a forma e a função de uma adaptação biológica moldada pela seleção natural podem melhorar a locomoção e a resistência tanto dos striders aquáticos quanto dos robôs bioengenheirados, sem incorrer em custos adicionais de energia.
Um ventilador automático melhora o movimento interfacial
Os striders Rhagovelia são únicos entre os striders aquáticos, pois esses insetos semiaquáticos do tamanho de milímetros utilizam estruturas especializadas em forma de ventilador em suas pernas de propulsão, que possibilitam curvas rápidas e explosões de velocidade.
“Fiquei intrigado na primeira vez que vi os insetos que se movimentam na superfície da água enquanto trabalhava como pós-doutorando na Universidade Estadual de Kennesaw durante a pandemia”, disse Victor Ortega-Jimenez, um biólogo integrativo agora na Universidade da Califórnia, Berkeley, coautor do estudo. Ortega-Jimenez havia estudado anteriormente o desempenho de salto dos grandes striders aquáticos da família Gerridae em águas instáveis, mas os insetos Rhagovelia eram diferentes. “Esses pequenos insetos estavam deslizando e virando tão rapidamente na superfície de córregos turbulentos que pareciam insetos voadores. Como eles conseguem isso? Essa pergunta ficou comigo e levou mais de cinco anos de incrível trabalho colaborativo para respondê-la.”
Até agora, acreditava-se que esses ventiladores eram acionados exclusivamente pela ação muscular. No entanto, um estudo publicado em 21 de agosto na Science relata que os ventiladores planos e em forma de fita do Rhagovelia podem, em vez disso, se transformar passivamente usando tensão superficial e forças elásticas, sem depender da energia muscular.
“Observar pela primeira vez um ventilador isolado expandindo-se passivamente quase instantaneamente ao entrar em contato com uma gota de água foi totalmente inesperado”, disse o Dr. Ortega-Jimenez.
Essa combinação notável de colapsabilidade durante a recuperação da perna e rigidez durante a propulsão permite que os insetos realizem curvas acentuadas em apenas 50 milissegundos e se movam a velocidades de até 120 comprimentos corporais por segundo, rivalizando com as manobras aéreas rápidas de moscas voadoras.
A colaboração é fundamental
Quando Dr. Ortega-Jimenez se juntou ao Georgia Tech em 2020, após deixar a KSU, ele apresentou o projeto e as observações preliminares sobre os insetos Rhagovelia ao Dr. Saad Bhamla, que ficou fascinado e ansioso para explorá-lo mais. Foi o Dr. Bhamla quem trouxe o grupo do Dr. Je-Sung para a colaboração, abrindo novas possibilidades para integrar biologia, física e robótica no projeto.
“Vi uma verdadeira descoberta escondida à vista. Muitas vezes, pensamos que a ciência é um esporte de um único gênio, mas isso está bem longe da verdade. A ciência moderna é toda sobre equipes interdisciplinares de cientistas curiosos trabalhando juntos, atravessando fronteiras e disciplinas para estudar a natureza e engenheirar novas máquinas bioinspiradas”, disse Dr. Bhamla.
Esse esforço interdisciplinar, integrando biologia experimental, física de fluidos e design de engenharia, continuou por mais de cinco anos.
Rhagobot nasce: A próxima geração de robôs striders aquáticos
Criar um robô do tamanho de um inseto inspirado nos insetos que se movem na superfície da água foi um grande desafio, especialmente porque o design microestrutural do ventilador permanecia um mistério. O avanço veio quando o Dr. Dongjin Kim e o Professor Je-Sung da Universidade Ajou capturaram imagens de alta resolução do ventilador usando um microscópio eletrônico de varredura, o que lhes permitiu desvendar a solução para esse quebra-cabeça.
“Inicialmente, projetamos vários tipos de ventiladores em forma de cilindro, que geralmente pensamos como algo que se assemelha a cabelo. No entanto, a dualidade funcional do ventilador – rigidez para geração de empuxo e flexibilidade para colapsabilidade – não poderia ser alcançada com estruturas cilíndricas. Após inúmeras tentativas, superamos esse desafio projetando um ventilador em forma de fita plana. Suspeitávamos fortemente que os ventiladores biológicos poderiam compartilhar uma morfologia semelhante e, eventualmente, descobrimos que o ventilador do Rhagovelia realmente possui uma microarquitetura em forma de fita plana, que não havia sido relatada anteriormente. Essa descoberta validou ainda mais o princípio de design por trás do nosso ventilador artificial em forma de fita plana”, disse Dr. Dongjin Kim, um pós-doutorando da Universidade Ajou e também coautor deste estudo.
Com essas percepções, eles conseguiram decifrar a base estrutural e a função desse sistema natural de propulsão e recriá-lo em uma forma robótica. O resultado foi a engenharia de um ventilador elastocapilar de um miligrama que se despluga, integrado a um robô do tamanho de um inseto. Este microrobô é capaz de impulsão aprimorada, frenagem e manobrabilidade, validada por meio de experimentos envolvendo tanto insetos vivos quanto protótipos robóticos.
“Nossos ventiladores robóticos se transformam usando apenas forças superficiais da água e geometria flexível – assim como seus homólogos biológicos. É uma forma de inteligência mecânica embutida refinada pela natureza ao longo de milhões de anos de evolução. Em robótica de pequena escala, esses tipos de mecanismos eficientes e únicos seriam uma tecnologia chave para superar os limites da miniaturização de robôs convencionais”, disse o Professor Je-sung Koh, autor sênior do estudo.
O estudo não apenas estabelece uma ligação direta entre a microestrutura do ventilador e o controle da locomoção aquática, mas também estabelece as bases para o futuro design de robôs semi-aquáticos compactos que podem explorar superfícies aquáticas em ambientes desafiadores e de fluxo rápido.
A estrutura do ventilador do inseto que se movimenta na superfície da água, que colapsa rapidamente e se reabre ao entrar e sair da água, revelou uma dualidade biomecânica sem precedentes – alta flexibilidade para implantação rápida e alta rigidez para empuxo. Essa dualidade aborda limitações de longa data na robótica aquática em pequena escala, como recuperação de movimento ineficiente e capacidade de manobra limitada.
Delineando vórtices e ondas na água
É bem conhecido que durante a propulsão, os striders aquáticos sem ventiladores (por exemplo, aqueles da família Gerridae) geram vórtices dipolares característicos e ondas capilares ao passar suas pernas superhidrofóbicas na água. Em contraste, os insetos Rhagovelia com ventiladores produzem uma assinatura vorticidade distinta e complexa a cada golpe, que se assemelha de perto ao rastro produzido por asas que batem no ar.
“É como se os Rhagovelia tivessem pequenas asas anexadas às suas pernas, como o deus grego Hermes”, disse Dr. Ortega-Jimenez. “Pesquisas futuras são necessárias para determinar se os insetos que se movem na superfície da água podem, de maneira similar, produzir empuxo baseado em levantamento com suas estruturas em forma de ventilador, além da propulsão baseada em arrasto.”
Essa possibilidade é intrigante, pois evidências sugerem que besouros giradores e cormorantes geram lift hidrodinâmico para propulsão em natação por meio de suas pernas peludas e pés palmados, respectivamente.
Além desses vórtices, os insetos Rhagovelia também produzem ondas capilares simétricas durante a propulsão das pernas, que parecem auxiliar na geração de empuxo, juntamente com ondas frontais fortes que se formam na parte frontal do corpo.
Enfrentando águas turbulentas
Os córregos naturais representam um desafio real, especialmente para pequenos animais que vivem e se movem na interface. Os insetos que se movimentam na superfície da água, com cerca do tamanho de um grão de arroz, devem navegar por águas altamente dinâmicas, onduladas e turbulentas, enquanto escapam de predadores, capturam presas e encontram parceiros. Os níveis relativos de turbulência que esses insetos suportam diariamente superam em muito o que normalmente experimentamos durante a turbulência em aviões. Surpreendentemente, o monitoramento ininterrupto desses insetos no laboratório revelou sua notável resistência.
“Eles literalmente rema todo dia e noite ao longo de sua vida útil, apenas pausando para mudar de pele, acasalar ou se alimentar”, disse Ortega-Jimenez. Essas condições instáveis encontradas em córregos também representam uma dificuldade significativa para o design de microrrobôs interfaciais capazes de se mover efetivamente através de águas tão imprevisíveis.
“Ao projetar robôs de pequena escala, é importante levar em conta o ambiente específico em que eles operarão – neste caso, a superfície da água. Ao aproveitar as propriedades exclusivas desse ambiente, o desempenho e a eficiência de um robô podem ser significativamente aprimorados. O Rhagobot, por exemplo, pode viajar rapidamente ao longo de um córrego em fluxo, graças à sua estrutura de ventilador inteligente, que é alimentada pela tensão superficial e pelas forças de arrasto da superfície da água”, disse Jesung Koh.
Finalmente, essas descobertas podem ter amplas implicações para a robótica bioinspirada, particularmente no desenvolvimento de sistemas de monitoramento ambiental, microrrobôs de busca e resgate, e dispositivos capazes de navegar por interfaces água-ar perturbadas com destreza semelhante à dos insetos.