Os pesquisadores demonstraram "flexoeletricidade gigante" em elastômeros macios que poderiam melhorar a amplitude de movimento do robô e tornar os marcapassos com alimentação própria uma possibilidade real. Em artigo publicado este mês no Proceedings of the National Academy of Sciences, cientistas da Universidade de Houston e do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea explicam como transformar substâncias aparentemente comuns, como borracha de silicone, em uma usina elétrica.

O que o seguinte tem em comum:um dispositivo médico implantado com alimentação própria, um robô suave semelhante ao humano e como ouvimos o som? A resposta de por que essas duas tecnologias díspares e fenômenos biológicos são semelhantes reside em como os materiais de que são feitos podem mudar significativamente em tamanho e forma - ou deformar - como um elástico, quando um sinal elétrico é enviado.

Alguns materiais na natureza podem realizar esta função, atuando como um conversor de energia que deforma quando um sinal elétrico é enviado ou fornece eletricidade quando manipulado. Isso é chamado de piezoeletricidade e é útil na criação de sensores e eletrônicos a laser, entre vários outros usos finais. Contudo, esses materiais de ocorrência natural são raros e consistem em estruturas cristalinas rígidas que muitas vezes são tóxicas, três desvantagens distintas para aplicações humanas.

Os polímeros feitos pelo homem oferecem etapas para aliviar esses pontos de dor, eliminando a escassez de material e criando polímeros macios capazes de dobrar e esticar, conhecidos como elastômeros macios, mas anteriormente esses elastômeros macios não tinham atributos piezoelétricos significativos.

Em artigo publicado este mês no Proceedings of the National Academy of Sciences, Kosar Mozaffari, estudante de graduação no Cullen College of Engineering da University of Houston; Pradeep Sharma, M.D. Anderson Chair professor e chefe do departamento de engenharia mecânica da University of Houston e Matthew Grasinger, LUCI Postdoctoral Fellow no Air Force Research Laboratory, oferecer uma solução.

"Esta teoria cria uma conexão entre eletricidade e movimento mecânico em materiais semelhantes a borracha macia, "disse Sharma." Embora alguns polímeros sejam fracamente piezoelétricos, não há borracha realmente macia como materiais piezoelétricos. "

O termo para esses elastômeros macios multifuncionais com capacidade aumentada é "flexoeletricidade gigante". Em outras palavras, esses cientistas demonstram como aumentar o desempenho flexoelétrico em materiais macios.

"Flexoeletricidade na maioria dos materiais de borracha macia é bastante fraca, "disse Mozaffari, "mas reorganizando as cadeias em células unitárias em um nível molecular, nossa teoria mostra que os elastômeros macios podem atingir uma maior flexoeletricidade de quase 10 vezes a quantidade convencional. "

Os usos potenciais são profundos. Robôs semelhantes aos humanos feitos com elastômeros macios que contêm propriedades flexoelétricas aumentadas seriam capazes de uma maior amplitude de movimento para realizar tarefas físicas. Os marca-passos implantados em corações humanos e que utilizam baterias de lítio poderiam, em vez disso, ser autoalimentados, já que o movimento natural gera energia elétrica.

A mecânica dos elastômeros macios, gerando e sendo manipulados por sinais elétricos, reproduz uma função semelhante observada em ouvidos humanos. Os sons atingem o tímpano que vibra e envia sinais elétricos ao cérebro, que os interpreta. Nesse caso, o movimento pode manipular elastômeros macios e gerar eletricidade para alimentar um dispositivo por conta própria. Este processo de autogeração de energia por movimento aparece como um avanço em relação a uma bateria típica.

As vantagens desta nova teoria vão além disso. No processo de pesquisa, a capacidade de projetar uma célula unitária que é invariante de estiramento - ou permanece inalterada sob a transformação de estiramento indesejada - surgiu.

"Para algumas aplicações, exigimos que certas quantidades de eletricidade sejam geradas, independentemente da deformação do trecho, Considerando que, com outras aplicações, desejamos o máximo de geração de eletricidade possível, e nós projetamos para ambos os casos ", disse Mozaffari.

"Em nossa pesquisa, descobrimos um método para tornar invariante o estiramento de uma célula unitária. A natureza sintonizável da direção flexoelétrica pode ser útil para a produção de robôs e sensores flexíveis. "

Em outras palavras, a quantidade de energia elétrica gerada a partir de vários estímulos físicos pode ser controlada para que os dispositivos realizem ações direcionadas. Isso pode moderar o funcionamento de dispositivos eletrônicos autossuficientes.

As próximas etapas incluem testar essa teoria em um laboratório usando aplicativos potenciais. Adicionalmente, esforços para melhorar o efeito flexoelétrico em elastômeros macios serão o foco de estudos adicionais.