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Festo Bionic Learning Network: De olho na natureza para inovar

Festo, do mundo da automação industrial, se inspira no funcionamento da natureza para aplicá-lo no mundo da tecnologia.

Em comemoração aos 50 anos de presença no País, a Festo Brasil convidou a imprensa para conhecer em cores e ao vivo uma das suas iniciativas mais fascinantes — a Bionic Learning Network — que foi apresentado por José Folha, gerente de desenvolvimento de produto da empresa no Brasil:

ZTOP in a Box:

Para quem nunca foi apresentado, a Festo é uma empresa alemã fundada em 1925 por Albert Fezer e Gottlieb Stoll (Fezer + Stoll = Festo), que começou como uma oficina especializada tanto no reparo de equipamentos de corte para serrarias quanto na sua modificação, trocando o seu sistema de mancal de brozina por rolamentos, melhorando assim a sua eficiência e durabilidade. Depois disso a empresa começou a desenvolver equipamentos de corte para carpintaria, criando a primeira motosserra do mundo em 1927 e a primeira serra circular portátil (modelo SB123) em 1930:

Já nos anos 1950, Kurt Stoll, filho mais velho de Gottlieb, reconheceu o potencial do uso do ar comprimido no desenvolvimento de sistemas pneumáticos para automação industrial criando assim a divisão Festo Pneumatic que se tornou o principal negócio da empresa até os dias de hoje, sendo que em 1992 a empresa criou a marca Festo Tooltechnic para dissociar a antiga divisão de ferramentas elétricas Festool da divisão de automação industrial posicionando-se assim como um big player na chamada indústria 4.0:

Presente no Brasil desde 1968, a Festo Brasil Ltda é uma das oito unidades de fabricação da empresa fora da Alemanha e fica localizada em na cidade de São Paulo (praticamente colada em São Bernardo do Campo) onde seu parque fabril tem mais de 43 mil m².

Interessante observar que a a filial brasileira é considerada o seu centro mais avançado na área de válvulas, o que faz com que além de atender ao mercado local, ela também exporta seus produtos para outras filiais do grupo e até para a matriz na Alemanha.

Em contrapartida, a empresa também ofeece praticamente todos os seus 40 mil itens de catálogo no mercado brasileiro, garantindo assim que a nossa indústria tenha acesso ao que mais de novo que a empresa tem para oferecer no mundo.

Mas voltando ao que nos interessa, o que é a Bionic Learning Network?

Segundo José Folha, sua empresa adota dois processos para resolver um problema: O primeiro é o mais comum do dia a dia é o chamado “Top Down” quando a empresa tem uma necessidade/problema/desafio e tem que resolvê-la. Simples assim:

Já o segundo processo seria menos convencional e mais intuitivo por natureza que a empresa chama de “Bottom Up” ou seja, utilizamos todo o nosso conhecimento acumulado no passado — como aprender na escola a ler. escrever, calcular etc. — que, a primeira vista pode parecer não servir para nada durante a infância, mas que será útil no futuro para resolver problemas da vida adulta — como calcular o troco de uma compra, estimar o tempo/percurso para atender a um compromisso — algo como uma “caixa de ferramentas” que a gente junta no nosso cérebro para usarmos durante o resto de nossas vidas:

Sob esse ponto de vista, o que a Festo faz é de estudar natureza, ver como ela funciona e adaptar seus princípios de funcionamento em um conjunto de tecnologias que formarão a “caixa de ferramentas” (ou mais exatamente IPs) da empresa que poderão ser usadas (ou não) tanto hoje quanto no futuro para resolver os problemas de seus clientes, tanto no mundo industrial quanto em outras áreas como robótica ou inteligência artificial.

Vale a pena ressaltar que José Folha enfatiza que essa iniciativa é voltada especificamente para buscar conhecimento e não necessariamente para encontrar a solução para um problema específico. Para isso existe uma área específica voltada para o desenvolvimento de soluções.

De fato, isso vai de encontro com a definição clássica do que são Bionics (ou em português, Biônica) ou seja, é a ciência que tem por objeto o estudo de certos processos biológicos, aplicando-os na construção de máquinas, sistemas eletrônicos ou buscando resolver problemas de engenharia:

O vídeo acima também mostra o inegável valor dessa iniciativa na área de relações públicas da Festo já que nada mais legal ou excitante (até para crianças) do que uma empresa demonstrar toda a sua capacidade tecnológica não na forma de uma caixa preta, chip eletrônico ou imagem besta numa tela, e sim na forma de objetos que já estamos familiarizados no dia a dia, como um animal, ave ou até inseto.

E como funciona essa iniciativa? Segundo o executivo da Festo, a empresa adota diversas plataformas tecnológicas e de gerenciamento avançado como o design thinking que trabalha em frentes como a biomimética que é o estudo/compreensão das estruturas biológicas (ou a “cópia da natureza”) e a biônica é o uso/aplicação da tecnologia para reproduzir esses mesmos fenômenos e/ou mecanismos naturais.

Outro ponto de destaque dessa inciativa é a parceria da empresa com institutos de pesquisas e universidades, desenvolvedores, autônomos, sendo que dentro dessa área existem diversos grupos de projetos formados por pessoas que não são funcionários da Festo. Existe é claro representantes da Festo que gerenciam esses grupos, mas são formados por pessoas que não têm necessariamente vínculos com a empresa no sentido profissional.

O que a empresa faz é convidar pesquisadores de universidades, estagiários que acabaram de ingressar na Festo, funcionários de clientes/empresas parceiras e, é claro, “gênios” que pensam fora da caixa para formarem grupos de aproximadamente 10 pessoas que trabalham por aproximadamente dois anos para encontrar uma solução copiada da natureza — ou seja — a Festo não determina nada, sendo que o próprio grupo se reúne e define o ponto do seu estudo e, a partir daí são utilizados todas ferramentas disponíveis para alcançar tal objetivo dentro do prazo determinado.

Esse processo é meio que contínuo, sendo que um novo grupo é normalmente criado dentro de um intervalo de mais ou menos quatro a seis meses o que deve gerar uma quantidade notável de novas idéias (e é claro, patentes todo o ano).

E o que a empresa procura aprender com esse estudos? José Folha citou alguns deles como soluções energicamente eficientes, a integração simples e funcional entre sistemas altamente complexos e interdependentes, a criação de estruturas leves e eficientes, facilidade de comunicação e aprendizado de sistemas complexos e obter mais vantagem competitiva já que…

… como foi dito em um discurso atribuído ao professor de negócios Leon C. Megginson da Universidade do Estado da Luisiana e proferido na convenção do Southwestern Social Science Association de 1963:

De acordo com a Origem das Espécies de Darwin, não é a mais inteligente das espécies que sobrevive; não é a mais forte que sobrevive; mas a espécie que sobrevive é aquela que está apta a melhor se adaptar e se ajustar às mudanças de ambiente às quais ela se encontra.

Para falar um pouco sobre as origens da Bionic Learning Network o executivo mostrou o primeiro dispositivo bionic copiado da natureza e desenvolvido pela Festo, que foi um músculo pneumático

… que nada mais é do que um tubo feito de uma complexa membrana feita com fibras sintéticas altamente fortes e elásticas (como Kevlar, PBO, M5, etc.) que, ao ser cheio de ar se contrai…

… comportando-se assim como um músculo de verdade:

José folha explica que a idéia desse produto não nasceu dentro de um grupo do Bionic Learning Network e sim da cabeça de um dos donos da empresa, que passou essa idéia para um pequeno grupo de engenheiros liderados por Bernd Lorenz, junto com a determinação de que eles não saíssem de cima desse projeto até que ele se tornasse um produto comercial, o que aconteceu de fato no ano de 1999 e descrito no seu catálogo como atuador de membrana ou músculo pneumático cujo principal atrativo é ser um equipamento mais leve, forte, rápido e barato que um atuador pneumático convencional.

Interessante observar que na natureza, não existe um único músculo que empurre algo – tanto o bater de asas de um pássaro, quanto o salto de um grilo ou a piscada de um olho é obtido com a força de retração direta de um músculos ou indiretamente por meio de tendões e articulações:

José Folha afirmou que, na época em que esse produto foi inventado, não havia realmente uma necessidade do mercado para um produto deste tipo já que todas as demandas já eram atendidas por atuadores convencionais de pistão que lembram vagamente seringas de injeção:

Só que quando o produto foi colocado para funcionar em seus laboratórios de testes algumas características bem interessantes começaram a ser percebidas, como por exemplo a capacidade de realizar trabalho o mesmo trabalho de um atuador convencional porém sem atrito, ou seja a peça não se desgasta pelo excesso de uso! E sem o atrito o sistema é mais energeticamente mais eficiente já que ele não perde energia na forma de calor.

Fora isso, sem peças móveis que geram atrito/calor o músculo pneumático também mostrou ser bastante durável ao ponto que durante a realização dos testes de durabilidade na empresa, as válvulas que controlavam o atuador se desgastavam e tiveram que ser substituídas várias e várias vezes, enquanto que o músculo continuava lá firme e forte.

De fato, José folha afirma que mesmo depois de mais de 20 anos no mercado, a empresa não tem idéia da vida útil desse produto porque ela praticamente não dá manutenção.

Outro ponto de destaque desse produto é sua força já que, na prática um músculo pneumático consegue produzir até dez vezes mais força que um modelo convencional de mesmo tamanho:

Ou seja a força, velocidade, frequência, precisão no movimento e durabilidade não foram características buscadas na idéia original desse produto, mas essa experiência foi tão positiva que motivou a empresa a institucionalizar esse processo criativo na forma da Festo Bionic Learning Network.

Segundo José Folha essa inciativa foi oficialmente implantada em 2006, sendo que o primeiro projeto criado pelo novo grupo foi um peixe biônico batizado de Airacuda que utilizou apenas quatro músculos pneumáticos para movimentá-lo dentro da água:

Porém o grande desafio desse projeto foi de como copiar (ou biomimetizar) o movimento da sua cauda, sendo José revelou que a solução nasceu de uma idéia simples feita com dois pedaços de papel unidos com fita adesiva…

… e um simples movimento na sua base para a esquerda…

… e para direita:

Esse movimento oscilatório reproduz exatamente o movimento do rabo de um peixe…

… que foi reproduzido “bionicamente” no peixe da Festo:

E o resultado final foi esse com um curioso detalhe que as bolhas expelidas pelo peixe não são “efeitos especiais” e sim resultado o ar expelido pelos músculos pneumáticos o que dá um efeito até mais realista para o Airacuda:

Porém, a contribuição mais significativa desse projeto para a “caixa de ferramenta biônica” da Festo foi o desenho da barbatana que, como no caso do músculo pneumático, possui características notáveis que só foram percebidas depois.

Por exemplo, além de ser leve, bem articulada e flexível…

… o seu contorno é capaz de tocar objetos de maneira envolvente sem exercer pressão sobre o mesmo, o que é uma notável façanha de engenharia já que ela faz isso sem usar sensores ou micromotores:

De fato, essa idéia foi usada pela empresa para desenvolver uma garra robotizada batizada de Adaptive Gripper, capaz de manipular objetos sensíveis como frutas sem danificá-las:

Ele pode ser combinado com um braço biônico batizado de Bionic Tripod 3.0 cujo movimento das hastes também foi inspirado na barbatana do Airacuda:

Outro projeto interessante e igualmente fascinante é OctopusGripper, cuja garra foi copiada de um tentáculo de polvo…

… e cujo braço mecânico — batizado de BionicMotionRobot —  foi copiado da tromba de um elefante utilizando por sinal uma tecnologia …

… completamente diferente do Bionic Tripod 3.0, já que ele é formado por três segmentos flexíveis cujo movimento é gerado por uma estrutura sanfonada formada por 12 segmentos acionados pneumaticamente que juntos são capazes de dobrar ou não ao mesmo tempo e em três direções diferentes:

Outra garra biônica criada pela Festo foi o FlexShapeGripper, inspirado na língua do camaleão…

… que utiliza um bico de silicone flexível cheia de líquido que, ao tocar num objeto assume o formato da sua superfície (o chamado form-shape-grip) e, por meio de uma pressão negativa no interior do bico, faz com que o mesmo agarre o objeto de maneira firme e delicada:

Interessante notar que o desenho da barbatana de peixe também foi usado nas nadadeiras do AquaJelly uma água marinha biônica que, além de nadar…

… também são capazes de se comportar harmoniosamente em grupos, utilizando uma séries de sensores capazes de identificar e coletar informações ligadas à temperatura d’água, sua posição e direção do nado e enviar essa informação para um computador externo (via conexão ZigBee) e dai passar essas informações para um smartphone:

Segundo a Festo, apesar da sua engenhosidade e beleza, essa demo era muito difícil de ser mostrada para o público devido a necessidade de ter um aquário grande o suficiente para abrigar várias dessas critauras biônicas.

Daí surgiu a idéia de criar uma versão aérea dessa criatura batizada de AirJelly mais adequada para apresentações em feiras e eventos e que foi mostrada para nós aqui no Brasil:

Com aproximadamente 2,2 metros de altura, 1,35 m de diâmetro e apenas 1,3 kg de peso, o AirJelly é na sua essência um balão de hélio que utiliza o mesmo sistema de propulsão usado pelo AquaJelly para pairar no ar. Note o uso da mesma estrutura de barbatana de peixe nos seus tentáculos:

Uma curiosidade do Air Jelly é que o seu sistema de direção utiliza uma técnica batizada de “peristaltic forward motion” que utiliza uma espécie de pêndulo de 55 cm de comprimento com um peso na ponta montado no interior do balão cujo movimento é controlado por um servomotor controlado remotamente via rádio.

O que essa engenhoca faz é que ao inclinar esse peso para um lado, o corpo da água-via inclina-se para a mesma direção (fazendo que o peso volte a ficar na vertical) determinando assim para onde ele vai.

Apesar disso, notamos a presença de duas pequenas hélices propulsoras no seu topo e quando questionamos o controlador do AirJelly qual a sua função, ele nos explicou que essas hélices funcionam como um segundo sistema de controle/direção do balão que é acionado caso o sistema de pêndulo demore muito para responder a um comando do rádio. Isso porque o AirJelly é muito mostrado em ambientes fechados de modo que esses propulsores ajudam a controlá-lo de maneira mais precisa e segura, evitando assim imprevistos.

A segunda criatura biônica apresentada neste dia foi o eMotionBtutterflies, uma borboleta biônica que combina “ferramentas” criadas em dois outros projetos: o BioniCopter (uma libélula biônica que voa) e o eMotionSpheres, um estudo desenvolvido pelo Bionic Learning Network que utiliza um computador, câmeras externas e emissores de luz infravermelho para controlar o vôo sincronizado de balões dirigíveis.

No caso do eMotioButterflies, os insetos biônicos utilizam o mesmo sistema de orientação eMotionSpheres o que permite que elas voem em grupo sem nunca esbarrarem uma na outra mesmo em ambientes fechados:

Como podemos ver em todos esses exemplos a idéia da “caixa de ferramentas” está presente em um ou mais projetos tanto na sua versão original quanto em versões melhoradas e/ou adaptadas para atender a novas demandas.

Para saber mais sobre essa iniciativa, viste o site da Festo no Brasil ou na Alemanha.

Desde o século passado Mario Nagano analisa produtos e já escreveu sobre hardware e tecnologia para veículos como PC Magazine, IDGNow!, Veja e PC World. Em 2007 ele fundou o Zumo junto com o Henrique assumindo o cargo de Segundo em Comando, Editor de Testes e Consigliere.