Cerâmica fica macia e sensitiva

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/12/2024

Sistema proprioceptivo em um bioatuador baseado em tecido muscular esquelético. Tudo cerâmico.
[Imagem: Miriam Filippi et al. - 10.1002/aisy.202400413]

Sensores de cerâmica

Quando se fala de cerâmica, a maioria das pessoas pensa em coisas quebradiças, como xícaras de café, pratos, vasos, pisos e azulejos.

Historicamente isto é válido, mas as últimas décadas viram o panorama das cerâmicas mudar muito. Hoje já existem cerâmicas que podem conduzir eletricidade, ser inteligentes e até mesmo "sentir".

A equipe do professor Frank Clemens, do Laboratório Federal Suíço de Ciência e Tecnologia de Materiais (EMPA), por exemplo, está usando seu Laboratório de Cerâmicas de Alto Desempenho para desenvolver sensores macios baseados em cerâmica.

Esses sensores podem "sentir" temperatura, tensão, pressão ou umidade, o que os torna interessantes para uso na medicina e até no campo da chamada robótica macia.

Tornando a cerâmica macia

Os cientistas de materiais definem cerâmica como um material inorgânico, não metálico, produzido a partir de uma coleção de partículas "soltas" em um processo de alta temperatura conhecido como sinterização: mude as partículas e a composição da cerâmica irá variar, assim como suas propriedades.

Mas o campo da "cerâmica macia", por seu lado, não trabalha com barro, porcelana ou qualquer coisa parecida. Em vez disso, as matérias-primas são compostos como niobato de sódio e potássio, óxido de zinco e, claro, partículas de carbono.

Mas nenhum desses materiais é macio ou flexível. É aí que entra a ciência das cerâmicas macias.

Cerâmica macia integrada em músculos artificiais, para uso em robótica e automação.
[Imagem: Miriam Filippi et al. - 10.1002/aisy.202400413]

Cerâmicas macias

Para criar sensores macios e flexíveis a partir de materiais duros, os pesquisadores incorporam partículas da cerâmica em plásticos elásticos.

"Trabalhamos com os chamados sistemas altamente preenchidos," explica o professor Clemens. "Pegamos uma matriz feita de um termoplástico e a preenchemos com o máximo possível de partículas de cerâmica sem comprometer a elasticidade da matriz."

Se essa matriz altamente preenchida for então esticada, comprimida ou exposta a flutuações de temperatura, a distância entre as partículas de cerâmica muda e, com ela, altera-se a condutividade elétrica do material, o que o transforma em um sensor. Na verdade, hoje não é mais necessário nem mesmo preencher toda a matriz com cerâmica: Usando impressão 3D, é possível incorporar os sensores de cerâmica em vários tipos de materiais flexíveis, onde as cerâmicas condutoras funcionam como uma espécie de "nervos".

Ao inserir esses sensores, projetados para detectarem pressão ou temperatura, por exemplo, a equipe criou uma prótese de mão robótica. A prótese "sente" a flexão dos dedos e percebe quando toca uma superfície quente. Essa "sensibilidade" seria uma vantagem tanto para próteses humanas quanto para ferramentas industriais de preensão, como garras robóticas.

O campo da biomedicina tem inúmeras demandas que podem ser supridas pela cerâmica macia.
[Imagem: Miriam Filippi et al. - 10.1002/aisy.202400413]

Robôs amigáveis e medicina

Em seu projeto mais recente, a equipe conseguiu combinar os sensores cerâmicos com músculos artificiais. Juntamente com colegas do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) e da Universidade de Tóquio, eles desenvolveram um robô bio-híbrido que reconhece seu estado de contração com a ajuda de um sensor piezorresistivo macio, biocompatível e totalmente integrado ao tecido.

O objetivo de longo prazo é desenvolver as tecnologias necessárias para que humanos e máquinas trabalhem juntos de forma segura e harmoniosa. "Os sistemas robóticos de hoje são grandes, desajeitados e muito fortes. Eles podem ser perigosos para humanos," explica o pesquisador. "Se, no futuro, formos compartilhar cada vez mais nossos locais de trabalho com robôs, eles devem reagir rápida e sensivelmente ao toque. Se você acidentalmente tocar em outra pessoa, você se afasta automaticamente. Queremos dar aos robôs o mesmo reflexo."

Os pesquisadores agora estão procurando parceiros industriais para usarem seus sensores cerâmicos macios na área de sistemas de preensão robótica. Mas sensores macios também são muito procurados para aplicações na medicina.

Os progressos são notáveis, mas a equipe tem uma longa lista de desejos: Os pesquisadores querem tornar seus sensores de cerâmica macia ainda mais sensíveis e inteligentes. Isso envolve combinar novos materiais cerâmicos e polímeros macios e otimizar as propriedades de cada sensor - o segredo do sucesso está na interação desses dois componentes.

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