COBERTURA ESPECIAL - Tecnologia Disruptiva - Tecnologia

13 de Agosto, 2021 - 20:00 ( Brasília )

Dra Fernanda Corrêa - Inovações disruptivas e exoesqueletos militares na guerra do futuro


Inovações disruptivas e exoesqueletos
militares na guerra do futuro

 

Drª Fernanda Corrêa
Coordenadora – Departamento de Ciência, Tecnologia & Inovação
Secretaria de Produtos de Defesa/Ministério da Defesa
Pós-doutoranda em Modelagem de Sistemas Complexos (EACH/USP)
Pós-doutora em Ciências Militares (ECEME)

 
Pensando   na   guerra   do   futuro, governos e empresas militares de todo o mundo têm buscado cada vez mais utilizar a Robótica integrada com diversas outras tecnologias disruptivas, como Tecnologias da Informação e Sistemas de Rede, Inteligência Artificial (IA) e Internet das Coisas (IoT), nos teatros de operações militares. Atualmente, na gestão de programas e projetos o termo disruptivo tem sido bastante utilizado para se referir às tecnologias que são capazes de promover mudanças profundas nos processos, produtos e/ou serviços, na economia, na indústria e na própria sociedade.

Estas mudanças profundas quando acompanhadas de novas formas de atuação e pensamento social e consolidadas, sobretudo em ambientes operacionais complexos, podem substituir as tecnologias até então adotadas.

É o caso da Robótica Militar que, em meio ao processo de transição da Era Industrial para a Era do Conhecimento, tem sido constantemente atualizada permitindo que soldados possam ser substituídos pela Robótica nos teatros de operações militares, sobretudo, em missões perigosas de reconhecimento.

Mas, a mesma tecnologia que pode substituir o fator humano pode também torná-lo superior na guerra do futuro por meio da adoção de sistemas robóticos com tecnologias integradas. Exoesqueletos, por exemplo, são capazes de reduzir o consumo de oxigênio e melhorar a capacidade de mobilidade logística e operacional de militares em diversos tipos de teatros de operações.

O desenvolvimento exoesqueletos individuais atende à demandas de aprimorar as capacidades humanas em facilitar operações em ambientes complexos que requerem esforço humano que podem resultar em lesões físicas. Os exoesqueletos são desenvolvidos por engenheiros incorporando diversos conceitos, tais como Robótica, Biomedicina, IA, Mecatrônica, Biomecânica, Engenharia de Sistemas, Mecânica de Materiais, Antropometria e Mecânica de Corpos Rígidos.

Versões mais antigas de exoesqueletos eram projetadas com maior peso em virtude de utilizar metais pesados. No entanto, com os avanços tecnológicos da Era do Conhecimento, com o emprego de Novos Materiais (ou Materiais Avançados), novas técnicas de design e ferramentas e métodos de prospecção tecnológica, os exoesqueletos da atualidade têm sido desenvolvidos com maior leveza e maior resistência em diversos tipos de ambientes operacionais. 

Relatórios de análises de tendências de diversas empresas especializadas têm apontado crescimento vertiginoso do mercado global de exoesqueletos nos próximos dez anos em virtude do aumento de acidentes em rodovias, de derrames e do crescimento da população idosa. As melhorias da qualidade e expectativa de vida das pessoas estão associadas ao aumento da adoção de exoesqueletos de uso individual para melhorar a própria capacidade de mobilidade.

De acordo com novo relatório da Grand View Research Inc de 2021, o mercado global de exoesqueleto entre 2021 e 2028 deve se expandir a uma Taxa de Crescimento Anual Composta (CAGR, sigla em inglês) de 20,5%. O CAGR é um dos principais indicadores que ajudam os analistas a entender e analisar a viabilidade de um investimento ao longo do tempo. As principais empresas atuantes neste mercado global são: Ekso Bionics, Hocoma, Lockheed Martin Corporation, Terno X (US Bionics Inc), Rex Bionics Plc, RB3D, ReWalk Robotics Ltd, Cyberdyne Inc e ActiveLink (Panasonic Corporation).

O mercado global de exoesqueletos pode ser divido em vários segmentos, tais como mobilidade, tecnologia e uso final. No segmento de mobilidade, existem exoesqueletos móveis e fixos. No segmento tecnológico, existem exoesqueletos com e sem fontes de alimentação. E no segmento de usuário final, destacam-se as áreas de saúde, industrial e militar. Aqui neste texto, serão destacados exoesqueletos de uso individual móveis, com fontes de alimentação e de emprego militar.

A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos Estados Unidos (DARPA, sigla em inglês) implementou e financiou o programa de desenvolvimento de exoesqueletos a partir do ano 2000 com o nome Programa Exoesqueletos para Aumento do Desempenho Humano. Com o aporte de 50 milhões de dólares, a DARPA financiou diversos projetos de exoesqueletos individuais de combate por um período de cinco anos. O Berkeley Lower Exotremity Exoesqueleto (BLEEX), o Guardian XO (ou Raytheon XOS) e o Human Universal Load Carrier (HULC) foram alguns dos projetos financiados pela Agência que continuaram ativos no desenvolvimento de protótipos de exoesqueleto para emprego militar para as Forças Armadas dos EUA.

O BLEEX foi desenvolvido pelo Laboratório de Robótica e Engenharia Humana de Berkeley da Universidade da Califórnia, EUA, e financiado pela Defense Advanced Research Project Agency (DARPA) a partir do ano de 2000.  A primeira etapa a ser desenvolvida no projeto foi o comportamento humano, no qual os engenheiros coletaram informações sobre locomoção do corpo humano e capacidade de absorção de impacto nos joelhos e tornozelos para que o exoesqueleto incorporasse amplo espectro de movimento naturais humanos. Um motor fornece energia hidráulica para a locomoção do usuário e o computador integrado a IA do exoesqueleto com capacidade de ser reabastecido no próprio teatro de operação é alimentado com fonte de energia elétrica. Ao invés de projetar um joystick, um botão ou teclado especial que acione o exoesqueleto, os engenheiros e projetistas do Laboratório de Robótica e Engenharia Humana de Berkeley desenvolveram o projeto piloto robótico para que o usuário se tornasse parte integrante do exoesqueleto. Além disso, o dispositivo não exige nenhum tratamento especial para ser empregado e o usuário pode carregar mais de 100 kg em equipamento na mochila praticamente sem realizar nenhum esforço. A IA integrada ao exoesqueleto calcula constantemente a distribuição do peso para que o usuário de forma equilibrada se locomova harmoniosamente com o máximo de facilidade possível.

 


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Figuras 1 e 2  Berkeley Lower Exotremity Exoesqueleto (BLEEX)
Fonte: Laboratório de Robótica e Engenharia Humana de Berkeley
 
Conforme Figuras 1 e 2, o BLEEX pode ser utilizado por militares nos teatros de operações e empregados em diversas atividades no meio civil, como por médicos voluntários em operações de ajuda humanitária, por combatentes de incêndios florestais, por equipes de emergência em desastres naturais por quaisquer operários que necessitem aprimorar suas capacidades físicas em ambientes operacionais em que tenham que transportar cargas pesadas, como alimentos, equipamentos de resgate, suprimentos de primeiros socorros, dispositivos biomédicos em  operações de Defesa Química, Biológica, Radiológica e Nuclear (QBRN), equipamentos de Comunicação Estratégica e Guerra Eletrônica, armamentos e explosivos compactos e portáteis em qualquer tipo de terreno por um período prolongado de tempo.

O sistema de exoesqueleto individual de combate Guardian XO foi desenvolvido originalmente pela Sarcos Research em Salt Lake City, Utah. A Sarcos Research era uma empresa estadunidense especialista em projetos de aplicações duais em Bioengenharia, Robótica e Sistemas Microeletromecânicos, que se originou em 1983 por meio do protagonismo de Stephen Charles Jacobsen (1940–2016), professor na Universidade de Utah. Por meio da concessão de uma bolsa de pesquisa concedida pela DARPA à Stephen Charles Jacobsen em 2000, a Sarcos Research aceitou o desafio de desenvolver um projeto de exoesqueleto motorizado para aplicações militares.

Em 2006, a DARPA utilizou seu aporte do Programa Exoesqueletos para Aumento do Desempenho Humano para financiar o desenvolvimento do protótipo de exoesqueleto motorizado da Sarcos Research. Entre 2007 e 2014, a Divisão de Robótica da Sarcos Research passou a pertencer a empresa estadunidense Raytheon e a ser conhecida como Sarcos Raytheon. Durante este período, a Sarcos Raytheon desenvolveu o XOS 2, versão de segunda geração do exoesqueleto robótico para emprego militar pelo Exército dos EUA. As capacidades deste dispositivo robótico foram demonstradas pela primeira vez de forma pública nas instalações de pesquisa da Raytheon em Salt Lake City, Utah, em setembro de 2010.

O XOS 2 foi projetado para amplificar a força humana, dar mais agilidade aos usuários transportando cargas pesadas e capacidade de resistência para o usuário dentro dele em ambientes operacionais hostis e/ou complexos. O exoesqueleto XOS 2 usa material mais leve e é cerca de 50% mais eficiente em termos de energia do que o XO. Ele utiliza uma combinação de controladores, sensores, alumínio e aço de alta resistência para a execução de diversas tarefas. A partir de 2015, os co-fundadores da Sarcos Research, Fraser Smith e Ben Wolff, lideraram um consórcio para readquirir o negócio da Divisão de Robótica da Sarcos Raytheon e transformá-la na empresa Sarcos Robotics para desenvolver robôs e exoesqueletos para aplicações industriais e de defesa. Relevante destacar que a nova empresa, a Sarcos Robotics, criou a startup de defesa denominada Sarcos Defense liderada por militares reservistas.



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Figura 3  Exoesqueleto motorizado de corpo inteiro
Fonte:Sarcos Defense
 
Na Figura 3, é possível identificar o Guardian XO, exoesqueleto motorizado de corpo inteiro, que é comercializado para aplicações duais (civis e militares) pela Sarcos Robotics. A Sarcos Defense desenvolve atualmente projetos em Pesquisa, Desenvolvimento & Inovação (PD&I) para o Departamento de Defesa e outras agências governamentais federais, estaduais, locais dos EUA.

Em outubro de 2020, o Escritório de Pesquisa Naval da Marinha dos EUA contratou a Sarcos Defense para desenvolver uma versão remotamente controlada da parte superior do corpo do exoesqueleto Guardian XO a fim de atender demandas de prontidão tecnológica em atividades que envolvam manutenção, logística, segurança e eficácia na Força Naval estadunidense.

O HULC também foi um dos programas de exoesqueleto de uso individual hidráulico alimentado por bateria recarregável apoiado pelo Programa Exoesqueletos para Aumento do Desempenho Humano da DARPA. Originalmente, este exoesqueleto hidráulico desenvolvido pelo professor H. Kazerooni em 2008 na empresa estadunidense Berkeley Bionics (atual Ekso Bionics) para emprego militar. Ele permite que soldados transportem cargas pesadas de até 91 kg com tensão mínima em seus corpos, reduzindo lesões musculoesqueléticas agudas e crônicas e contornando problemas como sobrecarga, que afeta a capacidade e prontidão dos soldados.

Em 2009, a empresa estadunidense Lockheed Martin adquiriu a licença de design do HULC, o qual passou a ser desenvolvido na unidade de negócios da Lockheed Martin Missiles & Fire Control em Orlando, na Flórida, EUA. Leve e flexível, o HULC permite que usuário seja capaz de se agachar, rastejar e elevar o corpo do usuário. Sem baterias, o dispositivo robótico com estrutura metálica de titânio pesa 24kg e o design é ajustável para atender usuários com altura que varia de 1,62 cm a 1,88 cm. Além de não requerer nenhum mecanismo de controle externo por ser controlado por microcomputador instalado dentro do sistema, este microcomputador permite que o HULC se adapte ao corpo do usuário.

 

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Figura 4  Human Universal Load Carrier (HULC)
Fonte: Army Technology
 
A versão do HULC que foi atualizada e avaliada junto ao Centro de Pesquisa, Desenvolvimento e Engenharia de Soldados Natick do Exército dos EUA (atual CCDC SC, sigla em inglês) inclui software de controle aprimorado para rastrear melhor os movimentos do usuário, sistemas de gerenciamento de energia, como bateria com vida útil estendida, consciência situacional vestível, ampla gama de sistemas de assistência de mobilidade e melhorias personalizadas de locomoção humana para cada usuário o HULC.

Iniciado em junho de 2011, o HULC foi submetido a testes biomecânicos, de carga dinâmica e ambientais no CCDC SC. Além de aplicações militares, a Lockheed Martin também explora o design de exoesqueletos no mercado global de aplicações industriais e de saúde. Esta empresa já desenvolveu diversas outras versões aprimoradas de exoesqueletos individuais para aplicações duais.

Diversos estudos de futuro apontam tendências e criam cenários hipotéticos futuros para o emprego de tecnologias disruptivas com alto poder dissuasório. Interessante análise de futuro é a do General de Divisão David G. Perkins do Exército dos EUA. De acordo com este General, desde o fim da Guerra Fria, passando pela Guerra ao Terror, os esforços do Exército dos EUA estiveram mais voltados para doutrina, treinamento e preparação para operações de contraterrorismo de baixa intensidade nos teatros de operações militares do Iraque e do Afeganistão, os quais demandavam respostas imediatas e emprego de forças blindadas e mecanizadas por tempo prolongados.

Contudo, o êxito das operações de alta intensidade do Exército da Rússia nos teatros de operações da Europa, em especial, nos conflitos na Geórgia e na Ucrânia, tornou possível o desenvolvimento de meios e métodos de combate, como os sistemas de negação de área e antiacesso (A2/AD), e recursos de guerra híbrida. Assim, o General Perkins concluiu que, possivelmente, a Rússia e, na sequencia, a China desenvolveram capacidades militares e inovações tecnológicas que eram superiores as dos EUA em determinados domínios.
 


Figura 5 Conflito Armado e Competição na Rússia e na China

Em virtude disso, conforme demonstração de conflitos armados e competitivos no ar, mar, terra, espaço e no ciberespaço na Rússia e na China na Figura 5, o Exército dos EUA desenvolveu a doutrina de Operações de Múltiplos Domínios que visa treinar e preparar a sua Força Terrestre para operações no ar, mar, terra, espaço e no ciberespaço. Neste esforço por modernização e aumento da capacidade de letalidade, os cenários plausíveis de guerra do futuro exigirão que o Exército dos EUA seja menos dependente de Tecnologias da Informação e Sistemas de Rede e ao Sistema de Posicionamento Global (GPS, sigla em inglês), garanta a interoperabilidade com outras Forças Armadas do País, busque por soluções inovadoras, que os líderes tenham intimidade com a tecnologia e as tropas operem mais dispersas e em ritmo mais intenso.

Além disso, o Exército dos EUA pretende priorizar na guerra do futuro seis áreas:

 

1) incremento do alcance e precisão do apoio de fogo,
2) nova geração de veículos blindados,
3) desenvolvimento de plataformas de maior capacidade de decolagem vertical,
4) integração sistêmica do Exército em rede,
5) defesa antiaérea e defesa antimíssil, e,
6) aumento da letalidade do combatente individual.


Sem dúvida as tecnologias disruptivas citadas neste texto, como Robótica, Tecnologias da Informação e Sistemas de Rede, Inteligência Artificial (IA) e Internet das Coisas (IoT), por terem alto poder dissuasório em Operações de Múltiplos Domínios predominarão nas análises de tendências e exercícios de cenarização na guerra do futuro.


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