Animais como morcegos, baleias e insetos há muito tempo utilizam sinais acústicos para comunicação e navegação. Agora, uma equipe internacional de cientistas se inspirou na natureza para modelar robôs microscópicos que usam ondas sonoras para se coordenar em grandes enxames que exibem comportamento semelhante ao inteligente. Os grupos de robôs poderiam, um dia, realizar tarefas complexas como explorar zonas de desastre, limpar a poluição ou realizar tratamentos médicos de dentro do corpo, de acordo com o líder da equipe, Igor Aronson, Professor Titular de Engenharia Biomédica, Química e Matemática na Penn State.
“Imagine enxames de abelhas ou mosquitos,” disse Aronson. “Eles se movem, isso cria som, e o som os mantém coesos, muitos indivíduos agindo como um só.”
Os pesquisadores publicaram seu trabalho em 12 de agosto na revista Physical Review X.
Como os enxames de micromáquinas que emitem som são auto-organizáveis, eles podem navegar por espaços apertados e até se reformar se forem deformados. A inteligência coletiva – ou emergente – dos enxames poderia, um dia, ser aproveitada para realizar tarefas como limpar a poluição em ambientes contaminados, explicou Aronson.
Além do meio ambiente, os enxames de robôs poderiam potencialmente trabalhar dentro do corpo, entregando medicamentos diretamente a áreas problemáticas, por exemplo. Sua capacidade de sincronização também ajuda na detecção de mudanças no ambiente, e sua habilidade de “auto-reparo” significa que eles podem continuar funcionando como uma unidade coletiva, mesmo após se separarem, o que poderia ser especialmente útil para detecção de ameaças e aplicações de sensores, disse Aronson.
“Isso representa um salto significativo em direção à criação de microrrobôs mais inteligentes, mais resilientes e, em última análise, mais úteis, com complexidade mínima que poderiam enfrentar alguns dos problemas mais desafiadores do nosso mundo,” afirmou. “As percepções obtidas com esta pesquisa são cruciais para projetar a próxima geração de microrrobôs, capazes de executar tarefas complexas e responder a estímulos externos em ambientes desafiadores.”
Para o estudo, a equipe desenvolveu um modelo computacional para acompanhar os movimentos de pequenos robôs, cada um equipado com um emissor acústico e um detector. Eles descobriram que a comunicação acústica permitia que os agentes robóticos individuais trabalhassem juntos de forma integrada, adaptando sua forma e comportamento ao ambiente, muito parecido com uma escola de peixes ou um bando de pássaros.
Embora os robôs do artigo fossem agentes computacionais dentro de um modelo teórico – ou baseado em agentes – em vez de dispositivos físicos que foram fabricados, as simulações observaram a emergência de inteligência coletiva que provavelmente apareceria em qualquer estudo experimental com o mesmo design, disse Aronson.
“Nunca esperávamos que nossos modelos mostrassem um nível tão alto de coesão e inteligência a partir de robôs tão simples,” disse Aronson. “Esses circuitos eletrônicos são muito simples. Cada robô pode se mover em alguma direção, tem um motor, um microfone minúsculo, um alto-falante e um oscilador. Só isso, mas mesmo assim é capaz de inteligência coletiva. Ele sincroniza seu próprio oscilador com a frequência do campo acústico do enxame e migra em direção ao sinal mais forte.”
A descoberta marca um novo marco para um campo emergente chamado matéria ativa, o estudo do comportamento coletivo de agentes biológicos e sintéticos microscópicos autopropelidos, desde enxames de bactérias ou células vivas até microrrobôs. Mostra pela primeira vez que ondas sonoras podem funcionar como um meio de controle dos robôs microscópicos, explicou Aronson. Até agora, partículas de matéria ativa foram controladas predominantemente através de sinalização química.
“Ondas acústicas funcionam muito melhor para comunicação do que sinalização química,” disse Aronson. “Ondas sonoras se propagam mais rápido e mais longe, quase sem perda de energia – e o design é muito mais simples. Os robôs efetivamente ‘ouvem’ e ‘encontram’ uns aos outros, levando à auto-organização coletiva. Cada elemento é muito simples. A inteligência coletiva e a funcionalidade surgem de ingredientes mínimos e comunicação acústica simples.”
Os outros autores do artigo são Alexander Ziepke, Ivan Maryshev e Erwin Frey da Ludwig Maximilian University de Munique. A pesquisa foi financiada pela John Templeton Foundation.
