Animais como morcegos, baleias e insetos há muito utilizam sinais acústicos para comunicação e navegação. Agora, uma equipe internacional de cientistas se inspirou na natureza para modelar robôs de microescala que usam ondas sonoras para se coordenar em grandes enxames que exibem comportamentos semelhantes à inteligência. Os grupos de robôs poderão, um dia, realizar tarefas complexas como explorar zonas de desastre, limpar poluição ou realizar tratamentos médicos dentro do corpo, de acordo com Igor Aronson, professor titular de Engenharia Biomédica, Química e Matemática na Penn State.
“Imagine enxames de abelhas ou de mosquitos,” disse Aronson. “Eles se movem, isso cria som, e o som mantém a coesão deles, 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 transmitem som se organizam de forma autônoma, eles conseguem navegar em espaços apertados e até se reformar se sofrerem deformações. A inteligência coletiva – ou emergente – dos enxames poderá, um dia, ser utilizada para realizar tarefas como a limpeza de ambientes contaminados, explicou Aronson.
Além do meio ambiente, os enxames de robôs poderiam, potencialmente, trabalhar dentro do corpo, entregando medicamentos diretamente em uma área problemática, por exemplo. A capacidade de sensoriamento coletivo também auxilia na detecção de mudanças no entorno, e sua habilidade de “auto-reparação” permite que continuem funcionando como uma unidade coletiva mesmo após se separarem, o que pode ser especialmente útil para a detecção de ameaças e aplicações de sensores, afirmou Aronson.
“Isso representa um salto significativo em direção à criação de microrrobôs mais inteligentes, resilientes e, em última análise, mais úteis, com complexidade mínima, capazes de enfrentar alguns dos problemas mais difíceis do mundo,” disse ele. “As percepções desta pesquisa são cruciais para o design da próxima geração de microrrobôs, capazes de realizar tarefas complexas e responder a sinais externos em ambientes desafiadores.”
Para o estudo, a equipe desenvolveu um modelo de computador 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 harmoniosa, adaptando sua forma e comportamento ao ambiente, muito semelhante a um cardume de peixes ou um bando de pássaros.
Embora os robôs no artigo tenham sido agentes computacionais dentro de um modelo teórico – ou baseado em agentes – em vez de dispositivos físicos fabricados, as simulações observaram a emergência de inteligência coletiva que provavelmente apareceria em qualquer estudo experimental com o mesmo design, afirmou Aronson.
“Nunca esperávamos que nossos modelos mostrassem tal nível de coesão e inteligência de robôs tão simples,” disse Aronson. “Esses são circuitos eletrônicos muito simples. Cada robô pode se mover em alguma direção, possui um motor, um pequeno microfone, alto-falante e um oscilador. E só, mas, mesmo assim, é capaz de inteligência coletiva. Ele sincroniza seu próprio oscilador à 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 auto-propelidos em escala microscópica, desde enxames de bactérias ou células vivas até microrrobôs. Isso mostra, pela primeira vez, que ondas sonoras podem funcionar como um meio de controlar os robôs de microescala, explicou Aronson. Até agora, as partículas de matéria ativa foram controladas predominantemente por meio de sinalização química.
“As ondas acústicas funcionam muito melhor para comunicação do que a sinalização química,” disse Aronson. “As 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 de uma simples comunicação acústica.”
Os outros autores do artigo são Alexander Ziepke, Ivan Maryshev e Erwin Frey da Universidade Ludwig Maximilian de Munique. A pesquisa foi financiada pela John Templeton Foundation.
