Novo Material Ferroelétrico Poderia Dar Músculos a Robôs

Acionamento de polímeros ferroelétricos impulsionado pelo aquecimento de Joule.  Credito: Qing Wang

Um novo tipo de polímero ferroelétrico, extremamente eficiente na conversão de energia elétrica em deformação mecânica, promete ser um controlador de movimento de alto desempenho ou “atuador” com grande potencial para aplicações em dispositivos médicos, robótica avançada e sistemas de posicionamento de precisão, de acordo com uma equipe de pesquisadores internacionais liderada pela Universidade Estadual da Pensilvânia.

Deformação

A deformação mecânica, ou seja, a maneira como um material muda de forma quando uma força é aplicada, é uma propriedade importante para um atuador, que é qualquer material que se altere ou deforme quando uma força externa, como energia elétrica, é aplicada. Tradicionalmente, esses materiais atuadores eram rígidos, mas os atuadores flexíveis, como os polímeros ferroelétricos, apresentam maior flexibilidade e adaptabilidade ambiental.

A pesquisa demonstrou o potencial dos nanocompósitos de polímeros ferroelétricos para superar as limitações dos compósitos de polímeros piezoelétricos tradicionais, oferecendo uma perspectiva promissora para o desenvolvimento de atuadores flexíveis com desempenho de deformação aprimorado e densidade de energia mecânica. Os atuadores flexíveis despertam grande interesse entre os pesquisadores de robótica devido à sua resistência, potência e flexibilidade.

Robôs Flexíveis

“Potencialmente, podemos agora ter um tipo de robótica flexível que chamamos de ‘músculo artificial'”, disse Qing Wang, professor de ciência e engenharia de materiais da Universidade Estadual da Pensilvânia e coautor do estudo recentemente publicado na Nature Materials. “Isso nos permitiria ter materiais flexíveis capazes de suportar grandes cargas, além de grandes deformações. Assim, esse material seria mais semelhante a um músculo humano, algo próximo ao músculo humano.”

No entanto, existem alguns obstáculos a serem superados antes que esses materiais possam cumprir suas promessas, e soluções potenciais para esses obstáculos foram propostas no estudo. Os materiais ferroelétricos são uma classe de materiais que demonstram uma polarização elétrica espontânea quando uma carga elétrica externa é aplicada, e cargas positivas e negativas nos materiais se dirigem para polos diferentes. A deformação nesses materiais durante a transição de fase, nesse caso, a conversão de energia elétrica em energia mecânica, pode mudar completamente suas propriedades, como sua forma, tornando-os úteis como atuadores.

Uma aplicação comum de um atuador ferroelétrico é em impressoras a jato de tinta, onde a carga elétrica altera a forma do atuador para controlar com precisão as pequenas aberturas que depositam tinta no papel para formar textos e imagens.

Embora muitos materiais ferroelétricos sejam cerâmicos, eles também podem ser polímeros, uma classe de materiais naturais e sintéticos compostos por muitas unidades semelhantes unidas. Por exemplo, o DNA é um polímero, assim como o nylon. Uma vantagem dos polímeros ferroelétricos é que eles exibem uma quantidade tremenda de deformação induzida por campo elétrico necessária para a atuação. Essa deformação é muito maior do que a gerada por outros materiais ferroelétricos usados como atuadores, como cerâmicas.

Propriedades

Essa propriedade dos materiais ferroelétricos, juntamente com um alto nível de flexibilidade, custo reduzido em comparação com outros materiais ferroelétricos e baixo peso, desperta grande interesse entre os pesquisadores no campo crescente da robótica flexível, ou seja, o design de robôs com partes e eletrônicos flexíveis.

“Neste estudo, propusemos soluções para dois grandes desafios no campo da atuação de materiais flexíveis”, disse Wang. “Um deles é como melhorar a força dos materiais flexíveis. Sabemos que materiais atuadores flexíveis feitos de polímeros têm a maior deformação, mas geram muito menos força em comparação com cerâmicas piezoelétricas.”

O segundo desafio é que um atuador de polímero ferroelétrico normalmente requer um campo de acionamento muito alto, ou seja, uma força que impõe uma mudança no sistema, como a mudança de forma em um atuador. Nesse caso, o campo de acionamento alto é necessário para gerar a mudança de forma no polímero, necessária para a reação ferroelétrica que o torna um atuador.

A solução proposta para melhorar o desempenho dos polímeros ferroelétricos foi o desenvolvimento de um nanocompósito percolativo de polímero ferroelétrico – uma espécie de adesivo microscópico ligado ao polímero. Ao incorporar nanopartículas a um tipo de polímero, o polivinilideno fluoreto, os pesquisadores criaram uma rede interconectada de polos dentro do polímero.

Essa rede permitiu a indução de uma transição de fase ferroelétrica em campos elétricos muito mais baixos do que o normalmente necessário. Isso foi alcançado por meio de um método eletro-térmico usando aquecimento de Joule, que ocorre quando uma corrente elétrica que passa por um condutor produz calor. Ao usar o aquecimento de Joule para induzir a transição de fase no polímero nanocompósito, foi necessário menos de 10% da intensidade de campo elétrico normalmente necessária para a mudança de fase ferroelétrica.

“Normalmente, deformação e força nesses materiais ferroelétricos estão correlacionadas, em uma relação inversa”, disse Wang. “Agora podemos integrá-las em um único material e desenvolvemos uma nova abordagem para acioná-lo usando o aquecimento de Joule. Como o campo de acionamento será muito menor, menos de 10%, é por isso que esse novo material pode ser usado em muitas aplicações que requerem um campo de acionamento baixo para ser eficaz, como dispositivos médicos, dispositivos ópticos e robótica flexível.”

Mais Pesquisas

Além de Wang, outros pesquisadores do estudo incluem Yao Zhou, bolsista de pós-doutorado em ciência e engenharia de materiais; Tiannan Yang, professor de pesquisa assistente no Instituto de Pesquisa de Materiais; Xin Chen, pesquisador pós-doutoral em ciência e engenharia de materiais; Li Li, assistente de pesquisa em ciência e engenharia de materiais; Zhubing Han, assistente de pesquisa de pós-graduação em ciência e engenharia de materiais; Ke Wang, professor de pesquisa associado no Instituto de Pesquisa de Materiais; e Long-Qing Chen, professor Hamer de ciência e engenharia de materiais, todos da Universidade Estadual da Pensilvânia.

Da Universidade Estadual da Carolina do Norte, outros pesquisadores incluem Hancheng Qin, assistente de pesquisa de pós-graduação em física; Bing Zhang, estudante de pós-graduação em física; Wenchang Lu, professor de pesquisa em física; e Jerry Bernholc, professor Drexel de física. Da Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, em Wuhan, na China, outros pesquisadores incluem o coautor correspondente Yang Liu, ex-bolsista de pós-doutorado em ciência e engenharia de materiais da Universidade Estadual da Pensilvânia, atualmente professor de ciência e engenharia de materiais.

O estudo recebeu apoio parcial do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

Fonte: Pensilvania University