Uma gota da emulsão curou dentro do meio de etanol antes (à esquerda) e depois que o etanol evaporou (à direita). A imagem da seção transversal é de cor falsa para destacar o núcleo do polímero (azul) e a casca da nanopartícula de negro de fumo (vermelho). Crédito:Kim et al., Sci. Robô. 5, eaay3604 (2020)
Um número crescente de empresas e grupos de pesquisa em todo o mundo estão desenvolvendo sensores compatíveis com base em materiais compostos, que pode ter uma ampla gama de aplicações possíveis. Materiais compostos, aqueles feitos de duas ou mais substâncias, freqüentemente têm propriedades únicas e vantajosas que diferem daquelas de seus componentes individuais.
Estudos anteriores descobriram que os materiais compostos contendo matrizes poliméricas e cargas condutoras são particularmente promissores para o desenvolvimento de sensores compatíveis, pois podem ser impressos em grandes escalas. Uma vantagem chave dos sensores feitos desta classe de materiais é que eles podem ser integrados em sistemas geometricamente complexos ou flexíveis, como dispositivos vestíveis e robôs soft.
Pesquisadores da Universidade de Yale introduziram recentemente uma abordagem que pode permitir a fabricação sustentável de sensores compatíveis para aplicações de robótica leve. Esta abordagem, apresentado em um Ciência Robótica papel, envolve o uso de uma emulsão Pickering à base de etanol que coagula espontaneamente, criando um composto condutor que pode ser facilmente impresso em sistemas robóticos soft.
"A impressão de materiais compostos geralmente envolve o uso de solventes, como tolueno ou ciclohexano, para dissolver a resina de polímero e afinar o material para uma viscosidade imprimível, "os pesquisadores escreveram em seu artigo." No entanto, tais solventes causam o inchaço e decomposição da maioria dos substratos de polímero, limitando a utilidade dos materiais compostos. Além disso, muitos solventes convencionais são tóxicos ou apresentam riscos à saúde. "
Ciente dos desafios encontrados ao tentar imprimir materiais compostos usando solventes, os pesquisadores de Yale desenvolveram uma nova abordagem que poderia permitir a fabricação de sensores de uma forma mais eficiente e sustentável. A estratégia que desenvolveram é baseada no uso de uma emulsão Pickering à base de etanol que coagula espontaneamente, criando um composto condutor que pode ser impresso em diferentes tipos de sensores.
"A emulsão Pickering consiste em precursores de polímeros emulsificados estabilizados por nanopartículas condutoras em um carreador de etanol, "os pesquisadores escreveram em seu artigo." Após a evaporação do etanol, os precursores são liberados, que então se aglutinam em meio a redes de nanopartículas e polimerizam espontaneamente em contato com a umidade atmosférica. "
Uma vez que eles delinearam sua nova estratégia de fabricação de sensores, os pesquisadores imprimiram a emulsão de Pickering auto-coagulante em uma série de sistemas poliméricos, incluindo materiais têxteis tradicionais e atuadores macios. A substância condutora que eles usaram deu a esses sistemas capacidades de detecção, resultando em diferentes tipos de sensores compatíveis.
Ilustração mostrando como funciona a emulsão SCP e o processo de impressão. Crédito:Kim et al.
Uma olhada de perto nos tecidos com infusão de emulsão (cinza). A emulsão é indicada em azul. Crédito:Kim et al., Sci. Robô. 5, eaay3604 (2020)
Simplesmente “pintar” a emulsão nas roupas e na fita cinesiológica pode resultar em vestíveis com sensor de tensão prontos para uso. Crédito:Kim et al., Sci. Robô. 5, eaay3604 (2020)
Até aqui, os pesquisadores usaram sua abordagem de fabricação para criar fitas cinesiológicas com infusão de composto, joelheiras e luvas de algodão. Eles também aplicaram a mesma estratégia para fabricar peles robóticas macias, apelidado de OmniSkins, imprimindo a emulsão condutora em tecido de musselina e fixando atuadores nele.
Em testes preliminares, os sistemas de detecção baseados em emulsão Pickering desenvolvidos pelos pesquisadores alcançaram uma notável sensibilidade à deformação e histerese insignificante, que são propriedades altamente desejáveis para a maioria das tecnologias vestíveis e aplicações de robótica leve. No futuro, a nova estratégia de fabricação introduzida neste artigo recente pode permitir um desenvolvimento mais sustentável de tecnologias de detecção inovadoras e de alto desempenho, incluindo peles robóticas macias e itens de roupas com recursos de detecção.
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