Fibras musculares artificiais elétricas: A nova força dos motores macios

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/08/2024

Esquema dos músculos artificiais acionados eletricamente categorizados pelo mecanismo, matérias-primas e configurações, bem como seus campos de aplicação.
[Imagem: Tianhong Lang et al. - 10.1093/nsr/nwae232]

Fibras musculares artificiais alimentadas eletricamente

Os músculos artificiais estão por aí há décadas, mas esse tipo de atuador recebe demandas de uma área tão ampla e dinâmica que não param de surgir versões, cada uma adequada a tipos específicos de aplicação.

Uma das versões mais recentes consiste nas fibras musculares artificiais alimentadas eletricamente, que têm apresentado propriedades mecânicas excepcionais, flexibilidade de integração e versatilidade quanto às aplicações que consegue atender.

Várias equipes ao redor do mundo têm trabalhado com essas fibras, mas os resultados ainda são esparsos e pouco divulgados. Para colocar todos esses trabalhos em um denominador comum, sobretudo evitando retrabalhos e esforços em rotas que não se mostraram promissoras, Tianhong Lang e colegas de várias universidades da China e dos EUA varreram toda a literatura científica em busca de trabalhos na área.

O resultado é um "artigo de revisão", um trabalho que não apenas destaca o potencial e as vantagens desses músculos artificiais em forma de fibra, como também enumera as realizações, as dificuldades e os desafios a serem vencidos para sua aplicação prática.

As combinações de materiais têm gerado músculos artificiais mais estáveis e eficientes.
[Imagem: Scuola Superiore Sant'Anna Pisa]

Músculos artificiais em forma de fibras

Materiais em forma de fibra têm demonstrado vantagens notáveis no campo dos materiais inteligentes e dos dispositivos funcionais, tornando-se um ponto focal da inovação no campo dos atuadores e da robótica em geral, destacam os pesquisadores.

Entre as vantagens dessa nova geração de músculos artificiais destaca-se a atuação rotacional e extensível das fibras artificiais, o que permite imitar os movimentos musculares biológicos, com vasto potencial para aplicação da biomimética em robótica, inclusive em robótica macia.

A orientação molecular das fibras as dota de resistência mecânica axial significativa e tenacidade, o que as torna adequadas para aplicações de alto desempenho.

Na hora de fabricá-las, têm-se destacado técnicas como a fiação a úmido, a eletrofiação e a deposição química de vapor, todos processos bem conhecidos e confiáveis. Além disso, técnicas de tecelagem multidimensionais em têxteis são opções para a integração de fibras funcionais, atendendo a estruturas complexas e projetos multifuncionais.

Uma das grandes novidades na área são as fibras musculares artificiais feitas de madeira, que levantam até carros.
[Imagem: Tobias Benselfelt et al. - 10.1002/adma.202303255]

Tipos de músculos artificiais elétricos

As fibras musculares artificiais acionadas eletricamente têm basicamente três mecanismos de acionamento primários, cada um com suas características e vantagens.

A atuação termoelétrica usa o aquecimento Joule comum, mas os esforços têm levado ao desenvolvimento de materiais inovadores para funcionarem como resistências de aquecimento e à otimização de materiais termorresponsivos de alta atividade. Entre materiais de aquecimento destacam-se misturas de materiais ativos de eletrodo, estruturas núcleo-casca e estruturas de fibras entrelaçadas.

A atuação eletroquímica envolve o movimento direcional de íons sob um campo elétrico, levando à expansão ou contração do material. Este método usa predominantemente polímeros condutores e nanomateriais, com os polímeros condutores destacando-se por facilitar a troca rápida de elétrons e íons por meio de reações redox reversíveis, e os nanomateriais de carbono por melhorar os ciclos de carga-descarga devido à sua alta área de superfície. As inovações nesta área se concentram no desenvolvimento de novos materiais eletroquimicamente responsivos e mecanismos de injeção de íons.

A atuação dielétrica obtém o movimento das fibras por meio da deformação de elastômeros dielétricos pela aplicação de um campo elétrico, fazendo com que o material se comprima ao longo da direção do campo e se expanda perpendicularmente devido ao acúmulo de carga.

Juntos, esses mecanismos ilustram a natureza robusta e versátil dos músculos artificiais fibrilares em diversas aplicações, desde robótica macia até tecnologia vestível.

Logo poderemos contar com alto-falantes com músculos artificiais, que dispensam os ímãs e gastam menos energia.
[Imagem: Oliver Dietze]

Desafios e oportunidades

Embora a revisão mostre que a pesquisa fundamental em fibras musculares artificiais acionadas eletricamente tenha progredido significativamente, a ampliação de sua fabricação até um nível que permita aplicações mais amplas apresenta vários desafios.

Isso inclui melhorar os sistemas de gerenciamento térmico, sobretudo nos atuadores termoelétricos, e melhorar o desempenho dos músculos eletroquímicos, provavelmente com a utilização de eletrólitos de estado sólido. A atuação dielétrica requer avanços nos métodos de produção das fibras para superar seus desafios técnicos inerentes.

"Embora lidar com esses desafios seja crucial, é igualmente importante alavancar as características únicas de diferentes fibras musculares artificiais para garantir que elas sejam adequadas para aplicações específicas," disse o professor Jiuke Mu, coordenador da equipe de revisão.

Olhando para o futuro, o rápido desenvolvimento dos eletrônicos flexíveis e de tecnologias de armazenamento de energia mais eficientes deverão ajudar a impulsionar o campo dos músculos artificiais elétricos, abrindo caminho para seu uso generalizado em dispositivos vestíveis responsivos, robótica macia e dispositivos de reabilitação médica, prevê a equipe.

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