Investigadores da Universidade de Harvard apresentaram uma nova metodologia matemática capaz de projetar juntas de contacto rolante com desempenho próximo ao das articulações humanas. O trabalho, liderado por Colter Decker, promete reduzir desalinhamentos em mecanismos robóticos, diminuir o consumo de energia e ampliar a vida útil de equipamentos industriais, exoesqueletos e próteses.
Modelo matemático adapta trajetórias complexas
O ponto de partida da equipa foi a observação de que articulações biológicas, como joelhos e cotovelos, funcionam durante décadas sem manutenção significativa. Para transportar essa eficiência para a engenharia, os investigadores criaram um modelo que parte da trajetória desejada para a junta e da força necessária ao longo desse percurso. A partir desses parâmetros, o algoritmo determina o formato ideal das superfícies de contacto e das polias que compõem a articulação.
Tradicionalmente, juntas de contacto rolante são projetadas com superfícies circulares, limitando seus movimentos. O novo método remove essa restrição, permitindo formas irregulares que seguem trajetórias não convencionais. Segundo Decker, a abordagem pode ser aplicada a funções como caminhar, saltar ou agarrar, adaptando-se às exigências específicas de cada máquina.
Numa fase inicial, o objetivo era criar garras robóticas capazes de segurar objetos frágeis sem sacrificar a força de preensão. A procura por uma solução que combinasse ligações rígidas e elementos flexíveis — análogos a ossos e cartilagem — direcionou a equipa para as juntas de contacto rolante, conhecidas por oferecerem baixo atrito, alta resistência ao desgaste e grande flexibilidade.
Resultados práticos validam a abordagem
Para demonstrar a eficácia do modelo, os cientistas construíram dois protótipos. O primeiro reproduz o movimento de um joelho e alcançou uma redução de 99 % no desalinhamento em comparação com mecanismos rotativos convencionais. Essa melhoria pode evitar dores e falhas mecânicas em exoesqueletos e próteses, onde pequenos desvios geram desconforto ao utilizador.
O segundo protótipo é uma garra robótica com dedos cuja força aplicada varia automaticamente em função do tamanho do objeto. Graças às novas juntas, a garra suportou três vezes mais peso do que uma versão desenvolvida com polias e superfícies circulares, sem exigir aumento na potência do atuador.
Os ganhos não se limitam a força e alinhamento. O desenho otimizado distribui as cargas de forma homogênea, reduz o desgaste e consequentemente os intervalos de manutenção. Em equipamentos industriais, isso pode refletir em menor tempo de paragem e custos operacionais inferiores.
Aplicações vão de robôs móveis a exoesqueletos
A possibilidade de personalizar a geometria das superfícies de contacto amplia o leque de aplicações. Em robôs humanoides, as juntas podem reproduzir com maior fidelidade a cinemática de braços e pernas, resultando em movimentos mais suaves e eficientes energeticamente. Em veículos autónomos ou máquinas agrícolas, o mesmo princípio pode diminuir vibrações e melhorar a estabilidade.
Imagem: Tecnologia e Inovação
No campo médico, o método abre caminho para joelheiras ativas e exoesqueletos que acompanham com precisão o arco natural do joelho de cada utilizador. Hoje, muitas soluções recorrem a rolamentos simples, causando desalinhamentos dolorosos. A nova abordagem permite dispositivos que respeitam as variações anatómicas individuais, o que pode acelerar a reabilitação e reduzir a fadiga.
Também na robótica de serviço — por exemplo, em braços colaborativos que lidam com alimentos ou instrumentos delicados — as juntas de contacto rolante otimizadas oferecem controle fino de força, minimizando riscos de dano aos objetos e ao operador.
Próximos passos da investigação
Com o modelo validado nos protótipos iniciais, a equipa pretende aplicar a técnica a outros cenários, incluindo membros robóticos mais longos e sistemas de locomoção completa. O grupo estuda ainda incorporar materiais macios nas superfícies de contacto, replicando a combinação de osso e cartilagem nas articulações humanas para elevar ainda mais a durabilidade.
Segundo os autores, o processo de design é suficientemente genérico para ser adotado por empresas de diferentes setores. Ferramentas de software baseadas nesse algoritmo poderão gerar geometrias personalizadas em poucos minutos, facilitando a produção em série de componentes feitos por impressão 3D ou usinagem tradicional.
Ainda não há previsão de comercialização, mas os resultados sugerem que juntas de contacto rolante matematicamente otimizadas podem tornar-se padrão em robôs industriais, dispositivos médicos e veículos autónomos nos próximos anos.
