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Ao imaginar a próxima geração de dispositivos vestíveis e robótica, o enchimento de espuma das almofadas do seu sofá provavelmente não é a primeira coisa que vem à mente.
No entanto, engenheiros da Rice University demonstraram que algo tão simples quanto o fluxo de ar através da estrutura arejada e semelhante a uma malha de espuma de células abertas pode ser usado para executar computação digital, detecção analógica e controle digital-analógico combinado em sistemas vestíveis baseados em tecidos macios.
“Neste trabalho, integramos a inteligência material — a capacidade dos materiais de sentir e responder ao seu ambiente — com a lógica orientada por circuitos usando uma abordagem surpreendentemente simples baseada no fluxo de fluido através de espumas macias”, disse Daniel Preston, professor assistente de engenharia mecânica e autor correspondente em um estudo sobre a pesquisa publicado em Materiais Funcionais Avançados.
Circuitos lógicos pneumáticos em robôs de corpo mole e wearables têm sido tradicionalmente projetados de maneiras que espelham circuitos eletrônicos, ou seja, conectando componentes individuais como resistores, capacitores, diodos e portas por meio de elementos de conexão. Essas arquiteturas convencionais dependem de portas lógicas interconectadas — blocos de construção básicos em sistemas digitais que transformam uma ou mais entradas em uma única saída.
Em trabalhos anteriores, o Preston Innovation Laboratory desenvolveu um método para controle sem eletrônicos de wearables têxteis usando circuitos lógicos pneumáticos. No entanto, essa abordagem inicial não se baseou nas propriedades intrínsecas a materiais macios para maximizar a eficiência do projeto do circuito.
“Quanto mais complexa for uma tarefa ou operação, maior será o número de portas lógicas normalmente necessárias”, explicou Preston.
Em aplicações, isso pode se traduzir em dispositivos mais pesados, mais caros e difíceis de fazer e mais suscetíveis a falhas. Para contornar o problema, os pesquisadores descobriram como usar diferenças de pressão criadas pelo ar fluindo através dos poros microscópicos em folhas de espuma para executar cálculos pneumáticos complexos e controlar tarefas com uma maior economia de design de circuito.
“Aqui, mostramos que as propriedades dos próprios materiais macios — como a esponjosidade ou porosidade das folhas de espuma — podem ser aproveitadas para realizar tarefas de controle fluídico, como detectar a quantidade de força aplicada por um usuário ou converter sinais de pressão digital em sinais analógicos, reduzindo assim a dependência de portas lógicas fluídicas e simplificando a operação”, disse Anoop Rajappan, principal autor do estudo e cientista pesquisador na Rice durante o curso do projeto.
Diferentemente dos líquidos, a densidade do ar muda com a pressão, o que torna a modelagem do fluxo de ar através de folhas de espuma mais complexa. No entanto, os pesquisadores encararam o desafio de frente.
“Desenvolvemos uma estrutura teórica para analisar o fluxo de gás através de materiais porosos, criamos novas técnicas experimentais para medir as propriedades fluídicas da espuma e, finalmente, geramos um modelo para a mudança na resistência fluídica da espuma com a força aplicada”, disse Rajappan.
Os pesquisadores projetaram resistores fluídicos baseados em espuma — dispositivos que restringem o fluxo de ar em circuitos pneumáticos, muito parecido com a forma como resistores eletrônicos limitam o fluxo de corrente em circuitos eletrônicos. Os resistores podem ser usados para criar circuitos lógicos pneumáticos bidimensionais que podem ser incorporados em dispositivos vestíveis baseados em tecidos.
“Ao redesenhar componentes de circuitos como resistores para alavancar as propriedades fluídicas de materiais macios como espuma, podemos construir robôs macios confiáveis e simplificados e dispositivos vestíveis alimentados por pneumática que são menos dependentes de componentes pesados, volumosos ou rígidos como motores e baterias”, disse Rajappan. “Dispositivos robóticos vestíveis poderiam, por exemplo, fornecer assistência a usuários com limitações de mobilidade, e construir vestíveis a partir de tecidos e alimentá-los usando ar comprimido pode torná-los confortáveis, leves, de baixo custo e discretos para o usuário.”
Além de Preston e Rajappan, outros autores do estudo incluem Zhen Liu, Faye Yap e Rawand Rasheed. Rajappan, Liu e Yap aceitaram ofertas para cargos de professor assistente de carreira na Tulane University, na University of Texas em Dallas e na University of Hawaii, respectivamente. Rasheed é CEO da Helix Earth Technologies, uma startup derivada do laboratório de Preston.
“Nosso trabalho na Rice está fazendo contribuições reais em vários campos, e estou feliz que muitos de nossos alunos continuem fazendo isso, na academia, na indústria e até mesmo em suas próprias empresas, após o treinamento em nosso programa”, disse Preston.
A pesquisa foi apoiada pela Rice Academy of Fellows, pelo Departamento de Energia dos EUA (DE-SC0014664), pela Shared Equipment Authority da Rice e pela National Science Foundation (CMMI-2144809).
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