Uma pele iônica artificial macia, sem fadiga e auto-regenerativa

Pele iônica híbrida auto-curável e livre de fadiga com uma estrutura nanofibrosa bioinspirada da pele humana real. Crédito:Wang et al.

Nos últimos anos, roboticistas e cientistas de materiais em todo o mundo vêm tentando criar sistemas artificiais que se assemelham a partes do corpo humano e reproduzem suas funções. Isso inclui peles artificiais, camadas protetoras que também podem melhorar as capacidades de detecção dos robôs.
Pesquisadores da Universidade de Donghua na China e do Jülich Center for Neutron Science (JCNS) na Alemanha desenvolveram recentemente uma nova e altamente promissora pele iônica artificial baseada em um nanomesh elástico auto-curável, uma estrutura entrelaçada que se assemelha à pele humana. Esta pele artificial, apresentada em um artigo publicado na Nature Communications , é macio, sem fadiga e auto-regenerativo.

“Como sabemos, a pele é o maior órgão do corpo humano, que atua como uma camada protetora e interface sensorial para manter nosso corpo saudável e perceptivo”, disse Shengtong Sun, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao TechXplore. . "Com o rápido desenvolvimento da inteligência artificial e da robótica suave, os pesquisadores estão atualmente tentando revestir robôs humanóides com uma 'pele artificial' que replica todas as propriedades mecânicas e sensoriais da pele humana, para que eles também possam perceber o ambiente externo em constante mudança como nós. ."

Como a pele humana é um sistema altamente complexo e sofisticado, imitar todas as suas funções pode ser extremamente desafiador. Por exemplo, a pele humana pode sentir uma variedade de mudanças ambientais, incluindo pressão, deformação de sua superfície e variações de temperatura, simplesmente captando sinais eletrônicos baseados em íons.

"A pele humana é macia, mas torna-se altamente firme quando esticada", disse Sun. “A pele também pode curar feridas naturalmente em poucos dias, reparando completamente sua estrutura e funções. ."

Embora os cientistas de materiais tenham desenvolvido recentemente várias peles artificiais, também chamadas de peles eletrônicas ou iônicas, a maioria desses sistemas só pode reproduzir uma parte dos atributos naturais da pele. Sun e seus colegas vêm tentando projetar materiais mais realistas e mais parecidos com a pele há vários anos.

"Ao realizar nossos estudos, notamos que a pele combina várias propriedades intrigantes por uma estrutura nanofibrosa hierárquica, que é definida por um andaime de fibrila de colágeno rígido incorporado na matriz de elastina macia entrelaçada", disse Sun. “Essas duas fases não apenas curam com a ajuda de fibroblastos dérmicos na ferida, mas também conferem uma resistência à fratura muito alta à pele humana, fixando danos nas nanofibrilas de colágeno duro”.

Inspirando-se na estrutura natural da pele, os pesquisadores decidiram projetar uma nova pele artificial baseada em um nanomesh auto-curável e uma matriz iônica, que pode replicar as funções de colágeno e elastina, respectivamente. Isso resultou em um material semelhante à pele que é macio, mas se torna firme quando esticado, uma propriedade conhecida como "enrijecimento de tensão". Além disso, sua pele artificial pode se curar autonomamente após ser danificada, é resistente à fadiga e responde rapidamente às deformações da forma, o que é particularmente desejável para aplicações de detecção.

"Inspirados pela estrutura nanofibrosa reparável da pele, criamos uma pele iônica artificial incorporando um andaime elástico auto-curável de nanomesh em outra matriz iônica macia auto-curável", disse Sun. "O nanomesh foi produzido por eletrofiação de nosso poliuretano sintético que pode se autocurar por troca de ligações dissulfeto à temperatura ambiente. A matriz iônica foi feita evaporando a solução aquosa de poli(acrilamida-co-ácido acrílico), ácido hialurônico e CaCl₂ , que pode curar com a ajuda da umidade. Devido à capacidade de cura dos dois materiais originais, a pele iônica híbrida também pode curar danos em um curto período de tempo."

A pele artificial criada por Sun e seus colegas tem uma estrutura elástica e nanofibrosa única que a torna altamente resistente à fadiga. Mais especificamente, suas nanofibras de poliuretano incorporadas podem cobrir grandes comprimentos de transferência de força, atenuando as rachaduras e impedindo que elas se propaguem.

Nas avaliações iniciais, o sistema de pele artificial obteve resultados muito promissores. A equipe descobriu que, mesmo com um entalhe pré-cortado, o iônico híbrido permaneceu intacto por mais de 10.000 ciclos de alongamento. O limiar de fadiga calculado da pele iônica híbrida é de ~2.950 J m^-2 , quase duas vezes maior que o músculo humano (1.000 J m^-2 ).

"Suavidade e elasticidade são as duas propriedades mecânicas mais importantes para materiais sensíveis à pele", disse Sun. "No entanto, os designs de materiais convencionais para suavidade e elasticidade geralmente levam à baixa robustez, o que é avesso à vida útil das peles iônicas. Resolvemos esse problema produzindo uma pele iônica híbrida que imita a estrutura nanofibrosa reparável da pele humana."

O sistema semelhante à pele criado por esta equipe de pesquisadores está entre as primeiras peles artificiais que não são apenas macias e elásticas, mas também auto-regenerativas e resistentes à fadiga. No futuro, o projeto proposto por Sun e seus colegas poderá ser usado para criar outras estruturas robustas e condutoras de íons baseadas em outras combinações de materiais.

Além disso, seu sistema de pele artificial pode ajudar no desenvolvimento de robôs humanóides que são mais resistentes à fadiga, com melhor desempenho e não são facilmente danificados ao longo do tempo. Embora a pele iônica da equipe tenha alcançado resultados notáveis até agora, ela ainda tem algumas limitações notáveis, que Sun e seus colegas esperam superar.

"Como usamos hidrogel higroscópico como matriz iônica, a estabilidade ambiental é relativamente ruim, especialmente em condições de mudança de umidade", acrescentou Sun. "Em condições ambientais muito secas, a matriz iônica se tornará dura pela perda de água, e a capacidade de autocura da pele também será difícil de perceber. Para superar esse limite, agora estamos motivados a produzir peles iônicas ainda mais robustas que podem trabalhar de forma confiável em condições adversas, como baixas e altas temperaturas, debaixo d'água, vácuo ou na presença de substâncias corrosivas. Isso será muito útil para robôs macios que devem operar em ambientes ainda mais complicados e variáveis do que aqueles habitados por humanos ." + Explorar mais