Músculos Artificiais Flexionam-se pela Primeira Vez: Inovação em Polímeros Ferroelétricos em Robótica

Por Penn State University 8 de julho de 2023

Atuação de polímeros ferroelétricos acionados por aquecimento Joule. Crédito: Qing Wang

Um novo polímero ferroelétrico que converte eficientemente energia elétrica em deformação mecânica foi desenvolvido por pesquisadores da Penn State. Este material, apresentando potencial para uso em dispositivos médicos e robótica, supera as limitações piezoelétricas tradicionais. Os pesquisadores melhoraram o desempenho criando um nanocompósito polimérico, reduzindo significativamente a força necessária do campo de acionamento, expandindo aplicações potenciais.

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. Os 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 revista 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, e 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.

“Potencialmente, podemos agora ter um tipo de robótica suave que chamamos de músculo artificial.”

— Qing Wang, professor de ciência e engenharia de materiais

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.

While many ferroelectric materials are ceramics, they also can be polymers, a class of natural and synthetic materials made of many similar units bonded together. For example, DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"DNA is a polymer, as is nylon. An advantage of ferroelectric polymers is they exhibit a tremendous amount of the electric-field-induced strain needed for actuation. This strain is much higher than what is generated by other ferroelectric materials used for actuators, such as ceramics./p>

Along with Wang, other researchers in the study include from Penn State Yao Zhou, postdoctoral scholar in materials science and engineering; Tiannan Yang, assistant research professor with the Materials Research Institute; Xin Chen, postdoctoral researcher in materials science and engineering; Li Li, research assistant in materials science and engineering; Zhubing Han, graduate research assistant in materials science and engineering; Ke Wang, associate research professor with the Materials Research Institute; and Long-Qing Chen, Hamer Professor of Materials Science and Engineering. From North Carolina State UniversityFounded in 1887 and part of the University of North Carolina system, North Carolina State University (also referred to as NCSU, NC State, or just State) is a public land-grant research university in Raleigh, North Carolina. NC State offers a wide range of academic programs and disciplines, including the humanities, social sciences, natural sciences, engineering, business, and education. It is known for its strong programs in engineering, science, and technology and is a leader in research and innovation. It forms one of the corners of the Research Triangle together with Duke University in Durham and The University of North Carolina at Chapel Hill. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"North Carolina State University, other researchers in the study include Hancheng Qin, graduate research assistant in physics; Bing Zhang, graduate student in physics; Wenchang Lu, research professor in physics; and Jerry Bernholc, Drexel Professor in Physics. From Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China, other researchers in the study include co-corresponding author Yang Liu, a former postdoctoral scholar in materials science and engineering at Penn State, now a professor of materials science and engineering./p>