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Para avançar a robótica suave, a eletrônica integrada à pele e os dispositivos biomédicos, pesquisadores da Penn State desenvolveram um material impresso em 3D que é suave e elástico — características necessárias para combinar as propriedades de tecidos e órgãos — e que se automonta. A abordagem deles emprega um processo que elimina muitas desvantagens dos métodos de fabricação anteriores, como menor condutividade ou falha do dispositivo, disse a equipe.
Eles publicaram seus resultados em Materiais avançados.
“As pessoas vêm desenvolvendo condutores macios e elásticos há quase uma década, mas a condutividade não costuma ser muito alta”, disse o autor correspondente Tao Zhou, professor assistente de ciência da engenharia e mecânica e de engenharia biomédica da Penn State na Faculdade de Engenharia e de ciência e engenharia de materiais na Faculdade de Ciências da Terra e Minerais. “Os pesquisadores perceberam que poderiam atingir alta condutividade com condutores à base de metal líquido, mas a limitação significativa disso é que requer um método secundário para ativar o material antes que ele possa atingir uma alta condutividade.”
Os condutores extensíveis à base de metal líquido sofrem de complexidade inerente e desafios impostos pelo processo de ativação pós-fabricação, disseram os pesquisadores. Os métodos de ativação secundária incluem alongamento, compressão, fricção de cisalhamento, sinterização mecânica e ativação a laser, todos os quais podem levar a desafios na fabricação e podem fazer com que o metal líquido vaze, resultando em falha do dispositivo.
“Nosso método não requer nenhuma ativação secundária para tornar o material condutor”, disse Zhou, que também tem afiliações com o Huck Institutes of the Life Sciences e o Materials Research Institute. “O material pode se automontar para tornar sua superfície inferior muito condutora e sua superfície superior autoisolada.”
No novo método, os pesquisadores combinam metal líquido, uma mistura de polímero condutor chamada PEDOT:PSS e poliuretano hidrofílico que permite que o metal líquido se transforme em partículas. Quando o material macio composto é impresso e aquecido, as partículas de metal líquido em sua superfície inferior se automontam em um caminho condutor. As partículas na camada superior são expostas a um ambiente rico em oxigênio e oxidam, formando uma camada superior isolada. A camada condutora é crítica para transmitir informações ao sensor — como gravações de atividade muscular e detecção de tensão no corpo — enquanto a camada isolada ajuda a evitar vazamento de sinal que pode levar a uma coleta de dados menos precisa.
“Nossa inovação aqui é de materiais”, disse Zhou. “Normalmente, quando o metal líquido se mistura com polímeros, eles não são condutores e requerem ativação secundária para atingir a condutividade. Mas esses três componentes permitem a automontagem que produz a alta condutividade de material macio e elástico sem um método de ativação secundária.”
O material também pode ser impresso em 3D, disse Zhou, facilitando a fabricação de dispositivos vestíveis. Os pesquisadores continuam a explorar potenciais aplicações, com foco em tecnologia assistiva para pessoas com deficiências.
Os outros autores dos artigos são Salahuddin Ahmed, Marzia Momin e Jiashu Ren, todos estudantes de doutorado no departamento de engenharia e mecânica da Penn State, e Hyunjin Lee, um estudante de doutorado no departamento de engenharia biomédica da Penn State. Este trabalho foi apoiado pelo National Taipei University of Technology-Penn State Collaborative Seed Grant Program e pelo Department of Engineering Science and Mechanics, o Materials Research Institute e o Huck Institutes of the Life Sciences da Penn State.
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