Atuação induzida direta e remotamente em músculos artificiais baseados em redes de fibras eletrofiadas

Jan 20, 2024

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13084 (2022) Citar este artigo

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O presente trabalho relata uma nova configuração de músculo artificial macio baseado em uma teia de fibras micrométricas de náilon 6/6 revestidas com metal anexadas a um filme fino de polidimetilsiloxano (PDMS). O processo de preparação é simples e implica a fixação de redes de fibras metalizadas a um substrato de folha PDMS durante o aquecimento e aplicação de compressão. O compósito resultante é versátil e pode ser cortado em diversos formatos em função da aplicação desejada. Quando uma corrente elétrica passa pela teia metálica, é produzido calor, levando à dilatação local e à subsequente deformação controlada. Por conta disso, o músculo artificial apresenta um movimento rápido e amplo (deslocamento máximo de 0,8 cm) ao aplicar uma tensão relativamente baixa (2,2 V), consequência do contraste entre os coeficientes de expansão térmica do substrato PDMS e da teia. como eletrodo. Foi demonstrado que a corrente elétrica que produz este efeito pode originar-se tanto de contatos elétricos diretos quanto de configurações não vinculadas, ou seja, induzidas por radiofrequência. Normalmente, para atuadores ativados termicamente o aquecimento é produzido usando filmes metálicos ou materiais condutores à base de carbono, enquanto aqui um rápido processo de aquecimento/resfriamento é obtido usando aquecedores à base de microfibras. Esta nova abordagem para dispositivos não conectados é um caminho interessante a seguir, abrindo uma ampla gama de aplicações onde a atuação autônoma e a transferência remota de energia são necessárias.

O campo de pesquisa que trata de músculos artificiais evoluiu continuamente durante a última década. O interesse crescente é alimentado pelo desenvolvimento de áreas de aplicação como a robótica (atualmente está ocorrendo uma intensa busca por robôs macios, semelhantes a animais) ou dispositivos médicos/de saúde1,2,3,4,5,6,7. Tipos novos e melhorados de tais componentes são desenvolvidos e relatados na literatura, sendo os processos de atuação explorados baseados em uma ampla gama de fenômenos físicos e químicos. Desde músculos poliméricos condutores controlados eletroquimicamente até músculos pneumáticos ou ativados termicamente, é fácil notar uma melhoria constante nas capacidades8,9,10,11,12,13,14. No entanto, ainda há um longo caminho até alcançar resultados semelhantes, em termos de funcionalidade e eficiência, tanto para os músculos biológicos, de um lado, como para os motores mecânicos, eletromecânicos ou pneumáticos, do outro lado. Melhorias na área são constantemente relatadas tanto nos mecanismos de atuação quanto nos tipos ou combinações de materiais. Diversos materiais são investigados como polímeros condutores ou piezoelétricos, elastômeros, ligas com memória de forma, cada um com seu modo de atuação específico, suas vantagens e desvantagens15,16,17,18,19,20,21,22.

Mudanças estruturais induzidas eletroquimicamente, piezoeletricidade, características térmicas ou outras características intrínsecas são exploradas para obter atuação. Os elastômeros dielétricos estão entre as preferências para a fabricação de músculos artificiais moles devido às características que incluem alta elasticidade, peso leve e resposta mecânica a um campo elétrico aplicado. No entanto, surgem problemas devido às tensões relativamente elevadas necessárias para a actuação e à necessidade de utilizar eléctrodos com uma flexibilidade semelhante para alcançar uma elevada funcionalidade.

O emprego de compósitos contendo partículas ou estruturas microscópicas, como nanotubos de carbono e grafeno, tornou-se um caminho amplamente utilizado para obter propriedades aprimoradas ou novas funcionalidades2,23,24,25. Aouraghe et al. propuseram um atuador eletrotérmico baseado em um filme compósito PDMS / nanotubo de carbono que apresenta um ângulo de curvatura importante (~ 200 °) a uma temperatura de cerca de 350 ° C obtida quando uma tensão relativamente alta é aplicada . Porém, o atuador demora muito para recuperar a forma inicial (~ 150 s). Da mesma forma, Sun et al. relataram a fabricação de um atuador eletrotérmico baseado em nanotubos de carbono e PDMS que pode dobrar ~ 540° para uma tensão aplicada de 12 V27. Este atuador também leva muito tempo para atingir o ângulo de flexão em estado estacionário (130 s). Yao et al. desenvolveu um atuador bimorfo baseado em PDMS e nanofios de prata (AgNws) que dobra 30 mm a uma baixa tensão aplicada de 4,5 V28. Entretanto, o atuador necessita de um tempo relativamente longo para atingir o grau máximo de deslocamento (~ 40 s) e recuperar sua posição inicial (~ 60 s). Hu et al. propuseram outro atuador bimorfo baseado em uma esponja de grafeno e PDMS que atinge uma flexão máxima de 12 mm em um tempo relativamente longo (60 s) a uma tensão aplicada relativamente baixa de 10 V29.