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Os atuadores eletrostáticos são dispositivos simples e leves que simulam os músculos humanos. No entanto, seu uso tem sido restrito principalmente à movimentação de pequenos dispositivos, pois precisam de altas tensões para gerar forças significativas. Agora, no entanto, pode ser possível usar atuadores eletrostáticos em músculos artificiais graças à pesquisa do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) que utilizou materiais ferroelétricos para criar um atuador eletrostático que pode gerar uma força forte em uma baixa tensão de condução.
Atuadores eletrostáticos são dispositivos que usam campos elétricos para mover objetos. Esses dispositivos consistem em dois eletrodos de cargas opostas que geram uma força sempre que um campo elétrico se desenvolve entre eles. Ao alterar a forma de seus eletrodos e preencher o espaço entre eles com materiais flexíveis e macios, várias configurações para atuadores eletrostáticos foram desenvolvidas nas quais a força pode emular a dos músculos em operação.
A força gerada pelos atuadores eletrostáticos depende da tensão aplicada em seus eletrodos e das cargas acumuladas na interface entre os eletrodos e o material dielétrico. Portanto, para gerar forças suficientes para suportar o movimento e as atividades humanas, esses dispositivos precisam ser alimentados com uma grande voltagem, que pode ser perigosa para o corpo.
Com o objetivo de aumentar a força gerada pelos atuadores mantendo a tensão baixa, o professor Suzushi Nishimura e sua equipe da Tokyo Tech aumentaram a carga acumulada utilizando materiais ferroelétricos que se polarizam espontaneamente.
O estudo, que foi uma colaboração entre pesquisadores da Tokyo Tech e da ENEOS Corporation, Japão, foi publicado na Pesquisa Física Avançada.
Quando materiais ferroelétricos são submetidos a um campo elétrico, ocorre separação de carga (polarização). No entanto, ao contrário dos materiais paraelétricos convencionais, os ferroelétricos mantêm sua polarização mesmo após a remoção do campo elétrico, permitindo-lhes manter um alto número de cargas acumuladas em baixa tensão. Além disso, como a polarização dos materiais ferroelétricos é independente da tensão, a força gerada é linearmente proporcional à tensão aplicada. “Os meios ferroelétricos são superiores aos meios paraelétricos comuns para uso em atuadores eletrostáticos em dois aspectos. Um é que eles podem gerar uma força maior mantendo uma grande polarização mesmo em baixa tensão, e o outro é que sua resposta de tensão é quase linear, resultando em boa capacidade de controle do dispositivo”, explica o Prof. Nishimura.
Os pesquisadores usaram cristais líquidos na fase nemática especial (ou seja, uma fase em que os longos eixos das moléculas estão dispostos em linhas paralelas, mas não em camadas) como material ferroelétrico. Verificou-se que o material é capaz de fluir como um líquido à temperatura ambiente, embora possua uma estrutura molecular em forma de bastonete, como a dos cristais sólidos – características necessárias que dão a esses materiais um grande momento de dipolo (ou seja, magnitude de polarização) e a fluidez necessária para seu uso em músculos artificiais.
Em testes, descobriu-se que o cristal líquido ferroelétrico gera forças nos eletrodos 1.200 vezes maiores que as dos materiais paraelétricos convencionais, como óleos isolantes. Com os cristais líquidos ferroelétricos e um eletrodo de dupla hélice impresso em 3D, os pesquisadores desenvolveram um atuador eletrostático capaz de produzir contração e expansão – como os músculos fariam – em baixas tensões. “Quando aplicamos um campo elétrico de 0,25 MV m-1, o dispositivo contraiu 6,3 mm, o que representa cerca de 19% de seu comprimento original”, diz o Prof. Nishimura. “A observação visual mostrou que o dispositivo se move quando uma tensão de 20 V é aplicada. Isso significa que mesmo uma bateria seca pode alimentar o atuador atual.”
Esses achados demonstram que materiais ferroelétricos com polarização espontânea são promissores para o desenvolvimento de atuadores eletrostáticos adequados para músculos artificiais. Os pesquisadores agora planejam otimizar a viscoelasticidade do material de cristal líquido para melhorar ainda mais a operação do atuador eletrostático.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Instituto de Tecnologia de Tóquio. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.
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