Ciência

'SuperLimbs' robóticos podem ajudar os moonwalkers a se recuperarem de quedas

Um novo sistema do MIT poderia ajudar os astronautas a conservar energia e estender as missões na superfície lunar.

SuperLimbs, um sistema de membros robóticos vestíveis construído por engenheiros do MIT, foi projetado para apoiar fisicamente um astronauta e colocá-lo de pé após uma queda, ajudando-o a conservar energia para outras tarefas essenciais. Na foto, a partir da esquerda, estão Sang-Yoep Lee, Harry Asada e Erik Ballesteros.

Preciso de um momento de leveza. Experimente assistir a vídeos de astronautas caindo na lua. As imagens da NASA dos astronautas da Apollo tropeçando e tropeçando enquanto saltam em câmera lenta são deliciosamente relacionáveis.

Para os engenheiros do MIT, os erros lunares também destacam uma oportunidade de inovação.

“Os astronautas são fisicamente muito capazes, mas podem lutar na Lua, onde a gravidade é um sexto da da Terra, mas a sua inércia ainda é a mesma. Além disso, usar um fato espacial é um fardo significativo e pode restringir os seus movimentos”, diz Harry. Asada, professor de engenharia mecânica no MIT. “Queremos fornecer uma maneira segura para os astronautas se levantarem caso caiam.”

Asada e seus colegas estão projetando um par de membros robóticos vestíveis que podem apoiar fisicamente um astronauta e colocá-lo de pé após uma queda. O sistema, que os pesquisadores apelidaram de Membros Robóticos Supernumerários ou “SuperLimbs”, foi projetado para se estender a partir de uma mochila, que também carregaria o sistema de suporte de vida do astronauta, junto com o controlador e os motores para alimentar os membros.

Os pesquisadores construíram um protótipo físico, bem como um sistema de controle para direcionar os membros, com base no feedback do astronauta que o utiliza. A equipe testou uma versão preliminar em indivíduos saudáveis ​​que também se ofereceram para usar uma vestimenta constritiva semelhante ao traje espacial de um astronauta. Quando os voluntários tentaram levantar-se da posição sentada ou deitada, fizeram-no com menos esforço quando assistidos pelos SuperLimbs, em comparação com quando tiveram que recuperar sozinhos.

A equipe do MIT prevê que os SuperLimbs possam ajudar fisicamente os astronautas após uma queda e, no processo, ajudá-los a conservar sua energia para outras tarefas essenciais. O projeto poderá ser especialmente útil nos próximos anos, com o lançamento da missão Artemis da NASA, que planeja enviar astronautas de volta à Lua pela primeira vez em mais de 50 anos. Ao contrário da missão amplamente exploratória da Apollo, os astronautas da Artemis se esforçarão para construir a primeira base lunar permanente – uma tarefa fisicamente exigente que exigirá múltiplas atividades extraveiculares estendidas (EVAs).

“Durante a era Apollo, quando os astronautas caíam, 80 por cento das vezes acontecia quando estavam a fazer escavações ou algum tipo de trabalho com uma ferramenta”, diz Erik Ballesteros, membro da equipa e candidato a doutoramento no MIT. “As missões Artemis irão realmente focar-se na construção e escavação, por isso o risco de queda é muito maior. Achamos que o SuperLimbs pode ajudá-los a recuperar para que possam ser mais produtivos e prolongar os seus EVAs.”

Asada, Ballesteros e seus colegas apresentarão seu projeto e estudo esta semana na Conferência Internacional IEEE sobre Robótica e Automação (ICRA). Seus co-autores incluem o pós-doutorado do MIT Sang-Yoep Lee e Kalind Carpenter do Laboratório de Propulsão a Jato.

Tomar uma posição

O projeto da equipe é a mais recente aplicação do SuperLimbs, que Asada desenvolveu pela primeira vez há cerca de uma década e desde então adaptou-se para uma série de aplicações, incluindo auxiliar trabalhadores na fabricação de aeronaves, construção e construção naval.

Mais recentemente, Asada e Ballesteros questionaram-se se os SuperLimbs poderiam ajudar os astronautas, especialmente porque a NASA planeia enviar astronautas de volta à superfície da Lua.

“Em comunicações com a NASA, aprendemos que esta questão da queda na Lua é um risco sério”, diz Asada. “Percebemos que poderíamos fazer algumas modificações em nosso projeto para ajudar os astronautas a se recuperarem de quedas e continuarem seu trabalho”.

A equipe primeiro deu um passo atrás para estudar as maneiras pelas quais os humanos se recuperam naturalmente de uma queda. Em seu novo estudo, eles pediram a vários voluntários saudáveis ​​que tentassem ficar em pé depois de se deitarem de lado, de frente e de costas.

Os investigadores observaram então como as tentativas dos voluntários de se levantarem mudavam quando os seus movimentos eram contraídos, semelhante à forma como os movimentos dos astronautas são limitados pela maior parte dos seus fatos espaciais. A equipe construiu um traje para imitar a rigidez dos trajes espaciais tradicionais e fez com que voluntários vestissem o traje antes de tentar novamente se levantar de várias posições caídas. A sequência de movimentos dos voluntários foi semelhante, embora tenha exigido muito mais esforço em comparação com as suas tentativas livres.

A equipe mapeou os movimentos de cada voluntário enquanto eles se levantavam e descobriu que cada um deles realizava uma sequência comum de movimentos, passando de uma pose, ou “waypoint”, para a próxima, em uma ordem previsível.

“Esses experimentos ergonômicos nos ajudaram a modelar de maneira direta como um ser humano se levanta”, diz Ballesteros. “Poderíamos postular que cerca de 80% dos humanos se levantam de maneira semelhante. Então projetamos um controlador em torno dessa trajetória.”

Mão amiga

A equipe desenvolveu um software para gerar uma trajetória para um robô, seguindo uma sequência que ajudaria a apoiar um humano e a colocá-lo de pé. Eles aplicaram o controlador a um braço robótico pesado e fixo, que prenderam a uma mochila grande. Os pesquisadores então prenderam a mochila ao traje volumoso e ajudaram os voluntários a vesti-lo novamente. Eles pediram aos voluntários que se deitassem novamente de costas, de frente ou de lado e, em seguida, fizeram com que tentassem ficar de pé enquanto o robô percebia os movimentos da pessoa e se adaptava para ajudá-los a se levantar.

No geral, os voluntários conseguiram ficar de pé de forma estável com muito menos esforço quando auxiliados pelo robô, em comparação com quando tentaram ficar de pé sozinhos enquanto usavam o traje volumoso.

“Parece que há uma força extra movendo-se com você”, diz Ballesteros, que também experimentou o traje e a assistência de braço. “Imagine usar uma mochila e alguém agarrar a parte superior e puxar você para cima. Com o tempo, isso se torna meio natural.”

Os experimentos confirmaram que o sistema de controle pode direcionar com sucesso um robô para ajudar uma pessoa a se levantar após uma queda. Os pesquisadores planejam emparelhar o sistema de controle com sua versão mais recente do SuperLimbs, que compreende dois braços robóticos multiarticulados que podem se estender a partir de uma mochila. A mochila também conteria a bateria e os motores do robô, junto com o sistema de ventilação do astronauta.

“Projetamos esses braços robóticos com base em uma pesquisa de IA e otimização de projeto, para procurar projetos de manipuladores robóticos clássicos com certas restrições de engenharia”, diz Ballesteros. “Filtrámos vários designs e procurámos aquele que consumisse a menor quantidade de energia para levantar uma pessoa. Esta versão do SuperLimbs é o produto desse processo.”

Durante o verão, Ballesteros construirá o sistema SuperLimbs completo no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, onde planeja agilizar o projeto e minimizar o peso de suas peças e motores usando materiais leves e avançados. Depois, ele espera emparelhar os membros com trajes de astronauta e testá-los em simuladores de baixa gravidade, com o objetivo de algum dia ajudar os astronautas em futuras missões à Lua e a Marte.

“Usar um traje espacial pode ser um fardo físico”, observa Asada. “Os sistemas robóticos podem ajudar a aliviar esse fardo e ajudar os astronautas a serem mais produtivos durante as suas missões.”

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