Pele artificial quântica dará nova sensibilidade aos robôs

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/03/2010

Os materiais compósitos de tunelamento quântico fornecem uma medida da intensidade da força aplicada sobre eles alterando sua resistência elétrica, que pode ser detectada de dentro do robô por um circuito eletrônico muito simples.
[Imagem: Peratech]

Material sensorial

As peles artificiais para robôs já são bem mais do que um mero aglomerado de sensores de alguns anos atrás.

Mas o MIT Media Lab, um dos laboratórios mais avançados do mundo na área de robótica e automação, acredita que já é hora de dar um passo mais largo.

Os pesquisadores norte-americanos uniram-se aos seus colegas da Universidade de Durham, na Inglaterra, para desenvolver um novo tipo de "pele eletrônica" que permita que os robôs e outros dispositivos automatizados não apenas "saibam" que foram tocados, mas detectem também onde foi feito o toque e qual a sua intensidade.

O grupo está desenvolvendo, há vários anos, uma tecnologia inovadora, chamada QTC - Quantum Tunnelling Composites, compósitos de tunelamento quântico, em tradução livre, um material sintético que tira proveito de propriedades em nanoescala, o que equivale a ter um material que é inteiramente "sensorial".

Compósitos de tunelamento quântico

Os materiais compósitos de tunelamento quântico fornecem uma medida da intensidade da força aplicada sobre eles alterando sua resistência elétrica. Isto permite que a detecção e a localização do ponto do toque possam ser feitas dentro do robô por um circuito eletrônico muito simples.

Sendo flexível, esse material inovador pode ser produzido em virtualmente qualquer formato, inclusive na forma de uma espécie de "roupa" adequada a revestir um robô. Ou pode ser aplicado por uma técnica de impressão, formando um revestimento de meros 75 micrômetros de espessura.

O resultado é uma pele artificial para robôs, ou outras interfaces, sem partes móveis e sem a necessidade de "vácuos", como acontece em alguns teclados de membrana e outros sensores flexíveis.

Polímero eletroativo

Além de cada área específica do material fornecer uma resposta proporcional à intensidade do toque, uma tecnologia de rastreamento permite identificar as coordenadas precisas do local do toque, mesmo quando o material está cobrindo superfícies totalmente irregulares.

O QTC pode ser enquadrado na categoria dos músculos artificiais - tecnicamente ele é um polímero eletroativo - sendo fabricado por uma mistura de partículas metálicas e não-metálicas injetadas em uma matriz de elastômero.

O estado "natural" do QTC - quando ele não está sujeito a nenhuma pressão - não drena nenhuma corrente elétrica, o que é uma vantagem para seu uso principalmente em robôs móveis e humanoides.

Percolação versus tunelamento quântico

Materiais que reagem à pressão já são pesquisados há bastante tempo. Esses compósitos convencionais normalmente incorporam partículas de carbono esféricas. Devido ao seu formato, essas partículas estão sempre em contato umas com as outras, criando uma rota para a condução da eletricidade.

Conforme se aplica uma pressão sobre o material, mais partículas se tocam, ampliando o caminho para a eletricidade. A variação na intensidade da corrente é então medida e pode ser utilizada para indicar um toque. Esse processo é chamado de percolação.

O compósito de tunelamento quântico funciona por um princípio diferente. Suas nanopartículas, em vez de serem esferas lisas, têm superfícies muito irregulares, cheias de pontas. A borracha de silicone na qual elas são incorporadas penetra entre essas pontas, criando um isolamento elétrico e físico, impedindo que as partículas se toquem mesmo quando sua densidade é muito alta.

As extremidades das pontas na superfície das partículas permitem que uma grande quantidade de elétrons se concentre sem ter para onde sair.

Enquanto no princípio da percolação, há necessidade uma diferença de potencial de energia constante - o material drena energia mesmo quando em repouso - o acúmulo dos elétrons no QTC se dá naturalmente, sem a necessidade de aplicação de uma tensão externa.

Esse aumento de carga tem como principal efeito a diminuição da largura efetiva da barreira de potencial que esses elétrons têm que atravessar - ou tunelar - para fazer com que o material conduza eletricidade.

A mecânica quântica mostra que os elétrons podem ser descritos como ondas, e que existe uma probabilidade finita de que um elétron atravesse uma barreira classicamente proibidaNULL o chamado tunelamento quântico.
[Imagem: Peratech]

O que é tunelamento quântico

Segundo a física clássica, um elétron conseguirá passar por uma barreira de potencial se possuir energia cinética suficiente para superar a barreira.

Se ele tem menos energia cinética do que a altura da barreira de potencial, então ele não será capaz de atravessar a barreira sob nenhuma condição.

Mas a mecânica quântica mostra que os elétrons podem ser descritos como ondas, e que existe uma probabilidade finita de que um elétron atravesse uma barreira classicamente proibida.

Quando uma onda encontra uma barreira de potencial, ela não chega instantaneamente a zero, mas começa a decair exponencialmente conforme entra pela barreira adentro.

Se a onda ainda não chegou a zero ao chegar ao outro lado da barreira, então há uma probabilidade finita de que ela possa ser detectada desse outro lado - o que equivale a dizer que o elétron terá de fato atravessado, ou tunelado, a barreira que a física clássica dizia ser impossível atravessar - imagine, por exemplo, sua mão tunelando por uma parede.

É este atravessar a barreira que se chama tunelamento quântico.

A quantidade de tunelamentos que ocorre em um material compósito é determinada pela energia dos elétrons, assim como pela espessura e pelas características elétricas da barreira.

Pele artificial quântica

No QTC, ao contrário dos polímeros com esferas lisas de carbono, o mecanismo de condução dominante é justamente o tunelamento quântico.

Para que ocorra a condução por tunelamento, a probabilidade do tunelamento precisa ser elevada. Para aumentar essa probabilidade, a largura, ou a largura aparente da barreira, precisa ser reduzida. Isto é obtido no QTC devido ao formato das partículas condutoras e à sua elevada concentração no material base, o elastômero não-condutor.

As afiadas pontas das partículas condutoras ocasionam um aumento no campo elétrico localizado em suas extremidades, o que efetivamente reduz a largura da barreira e permite que a condução elétrica ocorra. Isso é conhecido como o tunelamento assistido por campo.

Conforme o QTC é comprimido, as partículas condutoras se aproximam, reduzindo ainda mais a largura da barreira. Isto leva a um aumento exponencial da probabilidade de ocorrência do tunelamento e a uma diminuição exponencial na resistência elétrica.

A capacidade de variar a largura da barreira através da compressão, da tensão ou da torção, dá ao QTC propriedades elétricas controláveis dinamicamente que não são encontradas em nenhum outro material.

Os pesquisadores formaram uma empresa, a Peratech, para comercializar a tecnologia QTC.

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