Pesquisa e Inovação: Robôs e Filtros de Água Inspirados em Arraias-mantas

As arraias-mantas, também conhecidas como mantas ou jamantas, são peixes marinhos nativos das águas tropicais. Entre os peixes, elas têm o maior cérebro em proporção ao corpo, e nadam de forma elegante e rápida, batendo as nadadeiras como se fossem enormes asas.

Esse é só um dos motivos pelos quais cientistas estudam esses animais, utilizando sua anatomia como inspiração para inovações tecnológicas.

A sua locomoção inspirou um estudo para em robôs macios, feitos de materiais flexíveis e deformáveis, como silicone, borracha ou outros polímeros. Essa flexibilidade permite que eles executem tarefas que exigem manuseio delicado ou navegação em ambientes complexos e não estruturados.

Assim, eles podem ser úteis em aplicações em que a suavidade na interação é crucial, como em dispositivos médicos, operações de busca e resgate e exploração subaquática. Entretanto, a programação desse tipo de robô não é nada simples. “Continua a ser um grande desafio combinar velocidade rápida, alta eficiência e alta capacidade de manobra em um único nadador macio, usando atuação e controle simples.”, escreveram os autores no artigo publicado na revista Science Advances no último dia 4.

Os pesquisadores desenvolveram novas tecnologias para um robô que já existia. Mas antes de falar dele, precisamos entender o que a movimentação das arraias tem de especial.

Quando esses animais se locomovem, a cada batida, suas nadadeiras se deformam em forma de onda como as asas de um pássaro. Durante essa oscilação, as nadadeiras das arraias propagam ondas que se movem para fora do corpo da arraia e criam vórtices em espiral, empurrando a água para trás e produzindo um impulso para frente.

“A forma de onda dos movimentos tem um impacto dramático sobre a geração de impulso, a eficiência e a velocidade de natação”, escreveram os autores. Com um corpo de silicone e “asas” flexíveis, o novo robô imita exatamente o movimento ondular da arraia.

O resultado: o robô consegue se mover quase duas vezes mais rapidamente do que o anterior, nadando na superfície, para cima e para baixo. Ele também provou ser capaz de buscar uma carga útil no fundo de um tanque e trazê-la à superfície. Tudo isso gastando menos energia do que a versão anterior do robô.

Outra equipe, do MIT, também se inspirou nesses animais, mas dessa vez na capacidade filtradora das suas brânquias. As arraias-manta ingerem grandes quantidades de água, que serve tanto para a alimentação quanto para a respiração, já que elas são capazes de extrair oxigênio da água.

Os animais filtram grandes partículas para se alimentarem de plânctons e zooplânctons, enquanto absorvem o resto para a respiração. As suas guelras têm aberturas do tamanho perfeito para ajudá-las a respirar enquanto se alimentam, de forma altamente eficiente.

De olho nos mecanismos necessários para garantir o equilíbrio entre a alimentação e a respiração, a segunda pesquisa propõe uma estrutura de filtro de água que controla com mais precisão o fluxo de entrada e saída. O artigo com os achados foi publicado na revista PNAS no final de 2024.

Os pesquisadores descobriram que a depender da velocidade com que a arraia recebe água, um pequeno vórtice é criado dentro da boca do animal e ela pode controlar a quantidade de alimentos que recebe. O entendimento dessa dinâmica deve ser utilizado em processos industriais que lidam com processos de filtragem e permeabilidade em larga-escala.

Ambas as pesquisas observam esses animais fascinantes para encontrar na natureza as soluções de problemas físicos e mecânicos de tecnologia muito avançada, mas que já foram decifrados pela evolução há milhões de anos.