Novo material ferroelétrico pode dar músculos aos robôs

Jan 04, 2024

Robótica e Automação INSIDER

Um novo tipo de polímero ferroelétrico que é excepcionalmente bom na conversão de energia elétrica em tensão mecânica é promissor como controlador de movimento ou “atuador” de alto desempenho com grande potencial para aplicações em dispositivos médicos, robótica avançada e sistemas de posicionamento de precisão, de acordo com um estudo. equipe de pesquisadores internacionais liderada pela Penn State.

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

A pesquisa demonstrou o potencial dos nanocompósitos poliméricos ferroelétricos para superar as limitações dos compósitos poliméricos piezoelétricos tradicionais, oferecendo um caminho promissor para o desenvolvimento de atuadores suaves com melhor desempenho de deformação e densidade de energia mecânica. Esses atuadores suaves são especialmente de interesse para pesquisadores de robótica devido à sua força, potência e flexibilidade.

“Potencialmente, podemos agora ter um tipo de robótica suave que chamamos de músculo artificial”, disse Qing Wang, professor de ciência e engenharia de materiais da Penn State e co-autor correspondente do estudo publicado recentemente na Nature Materials. “Isso nos permitiria ter matéria mole que pode suportar uma carga elevada, além de uma grande tensão. Portanto, esse material seria mais uma imitação do músculo humano, algo próximo do músculo humano.”

No entanto, existem alguns obstáculos a superar antes que estes materiais possam cumprir o que prometem – soluções potenciais para estes obstáculos foram propostas no estudo. 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 dirigem-se para pólos diferentes. A deformação nestes materiais durante a transição de fase, neste caso a conversão de energia elétrica em energia mecânica, pode alterar completamente propriedades como a sua forma, tornando-os úteis como atuadores.

Uma aplicação comum de um atuador ferroelétrico é uma impressora jato de tinta, onde a carga elétrica altera o formato do atuador para controlar com precisão os minúsculos bicos que depositam tinta no papel para formar texto e imagens.

Embora muitos materiais ferroelétricos sejam cerâmicos, eles também podem ser polímeros, uma classe de materiais naturais e sintéticos feitos de muitas unidades semelhantes ligadas entre si. Por exemplo, o DNA é um polímero, assim como o náilon. Uma vantagem dos polímeros ferroelétricos é que eles exibem uma enorme quantidade de deformação induzida pelo campo elétrico necessária para a atuação. Essa deformação é muito maior do que a gerada por outros materiais ferroelétricos usados ​​em atuadores, como a cerâmica.

Esta propriedade dos polímeros ferroelétricos, juntamente com um alto nível de flexibilidade, custo reduzido em comparação com outros materiais ferroelétricos e baixo peso, desperta grande interesse para pesquisadores no crescente campo da robótica leve, design de robôs com peças flexíveis e eletrônica.

“Neste estudo, propusemos soluções para dois grandes desafios no campo de atuação de materiais macios”, disse Wang. “Um é como melhorar a força de materiais macios. Sabemos que materiais de atuação suave que são 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 precisa de um campo de acionamento muito alto, que é uma força que impõe uma mudança no sistema, como a mudança de formato de um atuador. Neste caso, o campo de acionamento elevado é necessário para gerar a mudança de forma no polímero necessária para a reação ferroelétrica necessária para se tornar um atuador.

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