Os robôs de origami podem ser formados pela integração total de várias funções de atuação, detecção e comunicação. Mas a tarefa é desafiadora, pois os materiais convencionais, incluindo plásticos e papel usados ​​para tais designs robóticos, impõem restrições para limitar as funcionalidades adicionais. Para instalar multifuncionalidades no sistema, os cientistas geralmente devem incluir componentes eletrônicos externos que aumentam o peso do robô. Em um estudo recente agora publicado em Ciência Robótica , Haitao Yang e colegas dos departamentos interdisciplinares de Engenharia Química e Biomolecular, A Engenharia Biomédica e a Engenharia Elétrica e de Computação nos EUA e em Cingapura desenvolveram um processo de síntese de modelos habilitado para óxido de grafeno (GO) para produzir reconfiguráveis, backbones metálicos compatíveis e multifuncionais. Os backbones formaram a base para robôs de origami, juntamente com sensores de deformação integrados e recursos de comunicação sem fio. Usando o método GO, os pesquisadores formaram origamis de metais nobres complexos como réplicas estruturais de modelos de papel.

A equipe de pesquisa pode reproduzir estruturas de origami de platina estabilizadas com elastômeros finos para formar backbones multifuncionais para criar os novos robôs de origami. Os novos robôs eram mais deformáveis, retardador de fogo e eficiente em termos de energia do que aqueles construídos com outros materiais. Yang et al. observaram recursos adicionais para os novos robôs de platina (robôs Pt), incluindo aquecimento resistivo sob demanda, detecção de tensão e antenas integradas sem componentes eletrônicos externos. Para recursos adicionais, eles incluíram o monitoramento ou registro de movimentos robóticos em tempo real, comunicação sem fio entre robôs, regulação de calor e controle magnético. O novo trabalho enriqueceu a biblioteca de materiais de robótica para a engenharia de robôs soft versáteis.

Pesquisadores em robótica já haviam explorado a antiga arte japonesa do origami para criar músculos artificiais, máquinas auto-dobráveis, sistemas de origami de primavera e metamorfose robótica. Convencionalmente, eles usaram papel de celulose, poliéster, poliéter éter cetona e politetrafluoroetileno para fabricar estruturas para tais invenções. Apesar do suporte mecânico oferecido, backbones de papel ou plástico careciam de funcionalidades de resposta a estímulos, detecção e comunicação sem fio. Em vez de instalar equipamentos externos para fornecer tais funcionalidades, as equipes de pesquisa agora têm como objetivo desenvolver backbones robóticos flexíveis multifuncionais para uma integração perfeita. Os esforços de pesquisa ainda não demonstraram esses robôs soft prototípicos com backbones de origami condutores com potencial de detecção e comunicação. Como resultado, os cientistas estão ansiosos para desenvolver um novo esquema de fabricação para produzir mecanicamente estáveis, backbones robóticos suaves e condutores.

Durante o processo de fabricação, Yang et al. usou multicamadas de óxido de grafeno (GO) para intercalar uma variedade de precursores de íons metálicos, seguido por recozimento de alta temperatura e calcinação para produzir as estruturas GO de alta dimensão. As réplicas de óxido de metal incluíam microtexturas, fios independentes e estruturas complexas de origami com excelente controle químico e replicação estrutural. O método derivado de GO proposto fornecerá uma nova plataforma para produzir arquiteturas metálicas complexas como backbones multifuncionais para robôs soft.

Yang et al. converteu os filmes de papel de celulose ou formatos de origami em uma variedade de réplicas de metal usando o processo de modelagem habilitado para GO. Eles seguiram quatro etapas principais durante o processo de fabricação, começando com um modelo em forma de fênix para formar um sal de metal nobre (Mn ⁺ ) -complexos intercalados de GO-celulose (M-GO-celulose). As réplicas de metal resultantes foram submetidas a mais processos de recozimento e calcinação durante a fabricação e a equipe de pesquisa as controlou ajustando sua temperatura de calcinação. Os cientistas criaram estruturas metálicas de origami complexas, como favos de mel hexagonais, sapos, flores, dinossauros, aviões e foles convertendo várias estruturas de origami 3-D da forma de papel de celulose em metal de platina.

Para melhorar a estabilidade mecânica, eles incluíram elastômeros finos nas estruturas de origami de metal para grande deformabilidade e reconfiguração reversível. Yang et al. escolheu o metal de platina devido à sua preservação estrutural eficiente, alta flexibilidade mecânica e alta condutividade elétrica em comparação com ouro (Au) ou prata (Ag). A equipe otimizou o backbone de elastômero Pt para alta condutividade elétrica e flexibilidade mecânica, para que o composto de elastômero Pt planar resultante sustente deformações grandes e repetidas - ideal para backbones robóticos suaves. Os backbones metálicos reconfiguráveis ​​introduziram funcionalidades múltiplas e distintas para formar robôs de origami de metamaterial, incluindo potencial intrínseco para resistência ao fogo. A equipe de pesquisa testou esse recurso, permitindo que robôs Pt mantenham contato direto com uma chama para exposição prolongada (800 ⁰ C por 30 segundos), em comparação, um robô de papel acendeu em segundos (menos de 5 segundos).

O backbone de elastômero Pt era mais fino e mais leve do que os robôs de papel de celulose, mas permaneceu mecanicamente estável durante o acionamento robótico reversível. O robô baseado em papel exigia grandes mudanças de pressão para alongar ou contrair; enquanto o robô Pt exigia apenas mudanças de pressão mais baixas. Yang et al. em seguida, desenvolveu o robô de origami Pt condutor para enviar e receber ondas eletromagnéticas (EM) e servir como uma antena reconfigurável para comunicação sem fio. Antes da fabricação, a equipe de pesquisa simulou padrões de radiação 3-D para explorar o uso de robôs Pt como antenas de radiação e os fabricou depois disso. Os cientistas também mostraram comunicação sem fio entre dois robôs Pt que serviam como remetente e receptor. Quando um robô remetente envia sinais de pulso em frequências diferentes, o robô receptor estacionado a 1,2 m de distância os recebeu sem desvio de frequência entre os sinais enviados e recebidos.

A equipe comparou cinco categorias de recursos robóticos no trabalho para demonstrar as vantagens técnicas do uso de backbones metálicos Pt habilitados para GO em relação a (1) densidade de backbone, (2) rigidez mecânica, (3) eficiência energética, (4) capacidades de detecção de deformação e (5) capacidades de comunicação sem fio. A equipe de pesquisa otimizou ainda mais os dois robôs Pt para comunicação sem fio, onde um robô remetente entregou instruções de navegação sem fio a um robô receptor para contornar com sucesso um obstáculo projetado, seguindo um caminho guiado.

A equipe então expandiu as aplicações do sistema usando manufatura 3-D aditiva, onde eles combinaram tinta Pt-Go-celulose com modelagem por deposição fundida (FDM) para imprimir formas metálicas moldadas de backbone robótico metálico em 3-D. Subseqüentemente, eles projetaram robôs Pt para controle remoto com campos magnéticos. Por esta, Yang et al. sintetizou uma réplica de Pt com tinta de celulose Pt-Go e infiltrou a solução de polímero com partículas magnéticas para criar um backbone de Pt magnético. As novas estruturas continham as habituais capacidades de detecção de deformação e comunicação sem fio integradas, com movimento magnético adicionado. Os robôs Pt magnéticos podem sofrer transformação reversível de forma e corpo sob atuação magnética para avançar em alinhamento com campos magnéticos rotativos.

Desta maneira, Haitao Yang e seus colegas desenvolveram um protocolo de síntese de modelos habilitado para Go para produzir reconfiguráveis, backbones metálicos compatíveis e multifuncionais para construir robôs de origami metálicos. Os robôs continham recursos integrados de detecção de deformação e comunicação sem fio. Os backbones metálicos sintéticos feitos com metais nobres complexos, incluindo prata, ouro e platina eram grandes réplicas estruturais de suas contrapartes em papel. Em comparação com papéis e plásticos tradicionais, os backbones de elastômero Pt reconfiguráveis ​​ofereciam peso leve, deformabilidade e eficiência energética. Yang et al. imaginar aplicações práticas para robôs de origami metálico que variam de atividades em ambientes de alto risco, para uso em músculos artificiais e braços robóticos, e como robôs desamarrados controlados remotamente. Eles visam otimizar backbones metálicos com materiais eletroquimicamente ativos para formar dispositivos de armazenamento de energia em seguida. Esses desenvolvimentos irão enriquecer a biblioteca de materiais robóticos para fabricar diversos robôs soft com integração de alta funcionalidade.

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