Habilitando o 5G e o Futuro da Robótica

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Se a robótica e as comunicações celulares parecem companheiros distantes, é porque a quinta geração sem fio, 5G, é a primeira a atender sem fio à necessidade de tais aplicações, em vez de apenas aumentar as taxas de dados e expandir a cobertura como as gerações anteriores fizeram.
Este ambicioso padrão, denominado IMT-2020 pela International Telecommunications Union (ITU) que os regulamenta globalmente, irá realizar isso revolucionando completamente a forma como as redes celulares são construídas, os dispositivos com os quais podem se conectar, as frequências nas quais operam e as aplicações que eles atendem.

A quinta geração de tecnologia sem fio abrirá o caminho para uma nova geração de robôs, alguns livres para fazer roaming controlado por links de comunicação sem fio em vez de com fio e explorando os vastos recursos de computação e armazenamento de dados da nuvem. Munidos desses recursos, os robôs podem ser controlados dinamicamente com precisão em tempo quase real e conectados a pessoas e máquinas local e globalmente. Resumindo, o 5G habilitará aplicações como a “fábrica do futuro” e muitos, muitos outros que estavam além das capacidades das tecnologias celulares e robóticas.

Mas eles ainda precisarão de nós?

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Fonte: chesky / stock.adobe.com

Atualmente, há muita controvérsia em torno da robótica e de como, junto com a inteligência artificial (IA), ela virá a dominar o mundo, incluindo algumas contendo perspectivas draconianas para o destino da humanidade. Os principais robôs acreditam que irão complementar as pessoas em vez de substituí-las e realizar algumas funções nas quais os humanos não são muito bons. Do outro lado estão alguns que acreditam que os robôs podem tomar o lugar dos humanos na manufatura e em outras indústrias, eliminando milhões de empregos. Resta saber se os robôs irão ou não olhar para os humanos, mas o 5G é quase certo que os deixará funcionar com mais eficiência e servir a mais aplicações do que nunca.

Os robôs já são onipresentes na manufatura, da qual a indústria automobilística é talvez o exemplo mais óbvio. Outros exemplos de aplicações importantes incluem industrial e médico. As inovações dentro do 5G irão expandir suas capacidades muito mais longe e será necessário expandir a definição do que um robô realmente é. Portanto, os veículos autônomos são robôs, executando instruções de uma vasta gama de sensores para tomar decisões e executar funções, presumivelmente com muito mais precisão, confiabilidade e rapidez do que os humanos. Os outros veículos não tripulados também se enquadram nesta categoria.

Para entender a sinergia entre 5G e robótica, nenhum exemplo melhor que o da saúde, onde a robótica tem um potencial imenso. Os robôs não apenas realizarão funções mundanas, como transferir coisas de um lugar para outro em um hospital, com o auxílio de comunicações 5G e da nuvem, mas também permitirão a telecirurgia em que as operações são orquestradas remotamente por médicos e realizadas localmente por robôs. Isso foi demonstrado pela primeira vez em 2001, quando o cirurgião endócrino Jacques Marescaux (1948–) removeu a vesícula biliar de um paciente em Estrasburgo, França, enquanto estava sentado em um console na cidade de Nova York – a uma distância de aproximadamente 6.200 km – durante um evento apropriadamente chamada Operação Lindbergh.

Avance para 2025 e imagine salas de cirurgia em um hospital habitado por robôs e humanos conectados por 5G através da nuvem para cirurgiões em qualquer lugar da Terra que orquestram os procedimentos cirúrgicos. Eles podem ser auxiliados por especialistas em um ou mais locais que podem oferecer e aplicar seus conhecimentos, tudo em tempo real.

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Fonte: Gorodenkoff / stock.adobe.com

Por mais fantástico que possa parecer, é apenas o começo: usando a realidade virtual (VR) – e a nuvem sempre online – deve ser possível converter uma varredura de imagem em uma representação virtual tridimensional (3D) de um paciente.

Usando esse “clone digital”, o cirurgião orquestraria remotamente a operação em uma virtualização do paciente enquanto um ou mais robôs realizam a cirurgia real. O médico teria uma “experiência” tátil, embora virtual, uma vez que ossos, tecidos e órgãos “sentiriam” de maneira diferente. A medida completa da telecirurgia não será possível por talvez uma década, mas continuará avançando em estágios conforme o 5G e a robótica amadurecem.

Então, por que não agora?

Além do fato de que os robôs e todo o “ecossistema” necessário para permitir a telecirurgia e outras aplicações robóticas de última geração ainda estão em sua infância, as redes 4G atuais simplesmente não têm as características necessárias para torná-los possíveis. Ou seja, como exigem tempos de resposta virtualmente instantâneos, será essencial reduzir uma métrica chamada latência a níveis sem precedentes. Latência é basicamente o intervalo de tempo entre o momento em que a entrada é iniciada em um ponto em um link de comunicação e quando ela retorna com uma entrada livre de erros de outro ponto. A baixa latência é vital para a comunicação de alta confiabilidade centrada na máquina para a robótica de amanhã.

As atuais redes celulares 4G Long-Term Evolution (LTE) têm latência de ida e volta de cerca de 50 ms, mas para habilitar aplicações como a robótica, o padrão 5G reconhece que tempo <1 ms será necessário, um desafio técnico colossal. Outros benefícios prometidos do 5G, como computação em nuvem e aumento das taxas de dados, são relativamente “simples” quando comparados à redução da latência para um nível mínimo, visto que enfrenta as leis imutáveis ​​da física.

Para entender isso, considere que a velocidade da radiação eletromagnética no vácuo é 3 x 10^8 m/s. Como a atmosfera da Terra não é um vácuo, a velocidade máxima é ligeiramente reduzida por causa do ar atmosférico. No entanto, sua velocidade de propagação é drasticamente reduzida por outras considerações, incluindo as fibras ópticas, links de comunicação terrestre e por satélite e os eletrônicos e interconexões através dos quais um sinal deve passar. O resultado é que quanto menor a distância física entre o Ponto A e o Ponto B, menor pode ser o tempo de latência. É assim que o 5G pretende cumprir seu objetivo de reduzir essa métrica para menor que 1 ms.

O 5G exigirá que o número de data centers que formam a nuvem coletivamente seja expandido geograficamente, pois um data center em um local provavelmente estará muito longe da maioria dos outros locais para reduzir o tempo de latência a níveis aceitáveis. Essa expansão, combinada com taxas de dados superiores a 1 Gb / s e o uso de novas frequências celulares – uma ordem de magnitude maior do que as atualmente empregadas – serão ingredientes essenciais que permitirão que distâncias variando de 1 a 100 km sejam cobertas com latência menor que 1 ms .

5G: A fábrica reinventada

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Aplicações de 5G na fábrica. Fonte: Shutterstock.com

5G terá um papel crucial na criação da fábrica do futuro, outra aplicação em que a latência menor que 1ms é essencial. Em combinação com o processamento quase ilimitado e o armazenamento de dados disponíveis na nuvem, as comunicações 5G permitirão que os robôs em ambientes de manufatura de próxima geração façam muito mais do que podem hoje. Os robôs serão capazes de trocar grandes quantidades de informações entre eles e a força de trabalho da fábrica, revolucionando o “chão de fábrica” ​​junto com outros dispositivos habilitados para 5G, como wearables e tecnologias, como realidade aumentada (AR).

À medida que os robôs se tornam móveis e capazes de interagir com as pessoas, aumentos significativos no rendimento da produção devem ser alcançados, juntamente com maior qualidade do produto e segurança do operador. Para manter uma latência muito baixa em toda esta fábrica reinventada, será necessário contar muito com a computação de ponta dentro da rede. A computação de borda traz inteligência e funcionalidade para as “bordas” de uma rede onde residem as aplicações reais, semelhante ao que a computação distribuída alcançou décadas atrás.

5G: Robôs em campo

A “desvinculação” de robôs via 5G e geolocalização baseada em GPS permitirá que eles realizem funções hoje impossíveis. Por exemplo, na agricultura, os robôs podem vagar pelos campos monitorando as condições de cultivo e enviando vídeo e outras informações do sensor para um computador localizado virtualmente em qualquer lugar, ou até mesmo realizar atividades como pulverização, poda e colheita. Uma empresa chamada FFRobotics desenvolveu o que chama de colhedora robótica de frutas frescas que combina controles robóticos com algoritmos de software de processamento de imagem que permitem encontrar e distinguir entre produtos comercializáveis ​​e danificados, bem como entre frutas que não estão maduras nem mortas.

lady farmer looking at a tablet with an automated tractor and drone in the background
Fonte: Scharfsinn / shutterstock.com

Uma tecnologia chamada High-throughput Plant Phenotyping (HTPP) combina genética, sensores e robôs que podem ser usados ​​para desenvolver novas variedades de culturas, bem como melhorar o conteúdo de nutrientes e a tolerância às condições ambientais. Isso seria realizado usando sensores em robôs para medir várias características e enviar suas descobertas para análise de cientistas que poderiam estar localizados virtualmente em qualquer lugar. Outros robôs estão sendo desenvolvidos para plantar e rastrear sementes para melhorar a eficiência da agricultura e muitos outros aspectos da agricultura que são importantes atualmente. No futuro, muitos provavelmente serão realizados por máquinas controladas remotamente.

É importante ter em mente que o 5G não vai simplesmente transformar a robótica da noite para o dia, pois muitos das aplicações e tecnologias para alcançá-lo estão hoje em dia embrionários, em desenvolvimento ou apenas na prancheta. Em vez disso, o 5G deve ser visto como o início de uma nova era nas telecomunicações que habilita totalmente a robótica e muitas outras aplicações pela primeira vez. Além disso, os robôs móveis também estão longe de ser uma tecnologia madura e provavelmente levará anos antes que eles sejam amplamente implantados em aplicações que vão desde a fabricação e produção à agricultura, operações de busca e resgate e muitos outros.

5G exigirá níveis enormes de inovação em todos os aspectos da rede, desde o desenvolvimento de sistemas de comunicação de ondas milimétricas a arquiteturas de rede virtual e definidas por software, e novos métodos de acesso sem fio que possibilitam a operação de muitos robôs uma pequena área sem interferir um com o outro. Acima de tudo o ponto crítico está na latência, onde os pesquisadores devem encontrar uma maneira de reduzi-la a menor possível.

Assista também o podcast The Tech Between Us sobre 5G, onde Raymond Yin conversa sobre tecnologia com o Dr. Matthieu Bloch da Georgia Tech sobre as capacidades e aplicações do 5G.

Artigo escrito por Barry Manz e publicado no blog da Mouser Electronics: Empowering Innovation Together: Enabling 5G and the Future of Robotics – Sponsor: Analog Devices, TE Connectivity: link

Traduzido e Adaptado por Equipe Embarcados.Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

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