Um giroscópio pequeno, barato e de alta precisão poderia ajudar drones e carros sem condutor a permanecerem na pista sem um sinal GPS, dizem os investigadores.

“Nosso giroscópio é 10.000 vezes mais preciso, mas apenas 10 vezes mais caro que os giroscópios usados em seus celulares típicos”, diz Khalil Najafi, professor de engenharia da Universidade de Michigan e professor de engenharia elétrica e ciência da computação.

“Este giroscópio é 1.000 vezes menos caro do que giroscópios muito maiores com desempenho semelhante”

A maioria dos smartphones contém giroscópios para detectar a orientação da tela e ajudar a descobrir para que lado estamos de frente, mas eles têm pouca precisão. É por isso que os telefones muitas vezes indicam incorretamente a direção que o usuário está olhando durante a navegação.

Isso realmente não importa para alguém na rua ou atrás do volante, mas um carro sem motorista pode se perder rapidamente com uma perda de sinal de GPS. Dentro de seus sistemas de navegação de reserva, veículos autônomos atualmente usam giroscópios de alto desempenho que são maiores e muito mais caros.

“Giroscópios de alto desempenho são um gargalo, e eles têm sido por muito tempo. Este giroscópio pode remover este gargalo permitindo o uso de navegação inercial de alta precisão e baixo custo na maioria dos veículos autônomos”, diz Jae Yoong Cho, um cientista assistente de pesquisa em engenharia elétrica e ciência da computação.

Um melhor equipamento de navegação de reserva também poderia ajudar os soldados a encontrar seu caminho em áreas onde os sinais GPS foram bloqueados. Ou, num cenário mais mundano, uma navegação interior precisa poderia acelerar os robots do armazém.

Três acelerómetros e três giroscópios, um para cada eixo no espaço, compõem o dispositivo, chamado unidade de medição inercial. O dispositivo permite a navegação sem um sinal de orientação consistente. Mas obter uma boa leitura sobre qual caminho você está indo com IMUs existentes custa tanto que permanece fora de alcance, mesmo para equipamentos tão caros como veículos autônomos.

A chave para tornar este giroscópio pequeno e acessível é um ressonador mecânico quase simétrico. Parece um Bundt panela cruzada com um copo de vinho, feito com um centímetro de largura. Tal como nos copos de vinho, a duração do toque produzido quando se bate no copo depende da qualidade do copo.

Mas em vez de ser uma característica estética, o anel é crucial para o funcionamento do giroscópio. O dispositivo completo usa eletrodos colocados ao redor do ressoador de vidro para empurrar e puxar o vidro, fazendo-o tocar e mantendo-o em movimento.

“Basicamente, o ressoador de vidro vibra em um determinado padrão. Se você o girar de repente, o padrão vibratório quer permanecer em sua orientação original. Assim, ao monitorar o padrão vibratório é possível medir diretamente a taxa de rotação e o ângulo”, diz Sajal Singh, um estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação que ajudou a desenvolver o processo de fabricação.

A forma como o movimento vibratório se move através do vidro revela quando, quão rápido e por quanto o giroscópio gira no espaço.

Para tornar os ressonadores tão perfeitos quanto possível, a equipe da Najafi começa com uma folha de vidro puro quase perfeita, conhecida como sílica fundida, com cerca de um quarto de milímetro de espessura. Eles usam um maçarico para aquecer o vidro e depois moldam-no numa forma de “Bundt” – conhecido como um ressonador “birdbath” uma vez que também se assemelha a um “birdbath” invertido.

Então, eles adicionam um revestimento metálico ao invólucro e colocam eléctrodos à sua volta que iniciam e medem as vibrações no vidro. A coisa toda está envolta num pacote de vácuo, sobre a pegada de um selo postal e meio centímetro de altura, o que impede que o ar amorteça rapidamente as vibrações.

Os pesquisadores apresentarão seu trabalho 25 de março no virtual 7th IEEE international Symposium on Inertial Sensors & Systems.

A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa apoiou o trabalho. Cho e Najafi são cofundadores de uma empresa startup, Enertia Microsystems, baseada na tecnologia licenciada pela Universidade de Michigan.

caption: O novo ressonador e eléctrodos, em um dedo para escala. O ressonador é quase perfeitamente simétrico, feito de vidro quase puro, permitindo que ele vibre por longos períodos, semelhante ao zumbido de um copo de vinho. (Crédito: Najafi Group / U. Michigan)