Como imitar as molas biológicas sem perder energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/10/2020

O material é o mesmo, a diferença está nos furos feitos nele.
[Imagem: Liang/Crosby - 10.1103/PhysRevLett.125.108002]

Conversão de energia

Engenheiros finalmente descobriram uma maneira de converter com eficiência a energia elástica em uma mola em energia cinética, para gerar movimentos de alta aceleração e extrema velocidade.

E é "finalmente" porque a natureza faz isso há muito tempo, nas pernas dos gafanhotos, nos atuadores biológicos das plantas carnívoras e nas mandíbulas das formigas, por exemplo.

Ocorre que, principalmente nos mecanismos feitos pelo homens, converter energia de uma forma para outra significa perder uma grande quantidade da energia original.

Agora, Xudong Liang e Alfred Crosby, da Universidade de Massachusetts, nos EUA, descobriram um mecanismo que ajuda a preservar significativamente a energia durante a conversão.

Metamateriais elásticos

Usando imagens de alta velocidade, Liang e Crosby mediram em detalhes o movimento de recuo, ou estalido, de fitas elásticas que podem atingir acelerações e velocidades semelhantes a muitos dos sistemas biológicos naturais que os inspiraram.

"Manter a eficiência não é intuitivo, é muito difícil adivinhar como fazer antes de fazer experiências. Mas você pode começar a formar uma teoria depois de ver como o experimento ocorre ao longo do tempo. Você pode começar a pensar sobre como funciona," disse Liang.

E o segredo está em adicionar orifícios elípticos - circulares não funciona - estrategicamente colocados ao longo do elástico.

"Sem buracos, tudo se estica," descreve Liang. "Mas com buracos, algumas áreas do material irão virar e colapsar."

"Na física, um curvamento realiza o mesmo movimento com menos energia, então, quando você manipula o padrão dos poros, pode projetar o elástico para que ele dobre internamente; ele se torna de alta eficiência," explicou Crosby, acrescentando que, como conseguiram uma nova funcionalidade mexendo na estrutura do elástico, mas não em sua composição, os elásticos perfurados fazem parte da família dos metamateriais.

Molas para robôs

Quando elásticos lisos são esticados e soltos, menos de 70% da energia armazenada é aproveitada para movimentos de alta potência, o resto é perdido. Com a adição dos poros, a dupla conseguiu aproveitar até 90% da energia armazenada no elástico para gerar movimento.

Os dois esperam que esta descoberta ajude os roboticistas a projetar sistemas robóticos cinéticos rápidos e de alta eficiência.

"Agora podemos mostrar algumas dessas estruturas e dizer: 'Aqui está como você deve projetar uma mola para seus robôs'. Acreditamos que esta nova teoria gere um monte de muitas novas ideias e questões sobre como olhar para a biologia, como os tecidos são estruturados ou como seus revestimentos são configurados para permitir que a rotação que demonstramos seja a chave [para sua eficiência]," finalizou Liang.

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