Inspirada na estrutura dos músculos, uma nova estratégia inovadora para criar atuadores de fibra pode levar a avanços em robótica, próteses e roupas inteligentes, de acordo com uma equipe de cientistas liderada pela Penn State que descobriu o processo.
"Atuadores são qualquer material que vai mudar ou deformar sob qualquer estímulo externo, como partes de uma máquina que vai se contrair, dobrar ou expandir", disse Robert Hickey, professor assistente de ciência e engenharia de materiais da Penn State. "E para tecnologias como a robótica, precisamos desenvolver versões suaves e leves desses materiais que possam atuar basicamente como músculos artificiais. Nosso trabalho é realmente encontrar uma nova maneira de fazer isso."

A equipe desenvolveu um processo de duas etapas para fazer atuadores de fibra que imitam a estrutura das fibras musculares e que se destacam em vários aspectos em comparação com outros atuadores atuais, incluindo eficiência, tensão de atuação e propriedades mecânicas. Eles relataram suas descobertas hoje (2 de junho) na revista Nature Nanotechnology .

"Este é um grande campo e há muitas pesquisas interessantes por aí, mas ele tem sido realmente focado em materiais de engenharia para otimizar as propriedades", disse Hickey. "O que torna nosso trabalho empolgante é que realmente nos concentramos na conexão entre química, estrutura e propriedade."

Hickey liderou anteriormente uma equipe que produziu materiais de hidrogel nanoestruturados de automontagem. Os hidrogéis são redes de polímeros que podem inchar e reter grandes quantidades de água, mantendo sua estrutura.

Na nova pesquisa, os cientistas descobriram que as fibras feitas desse material de hidrogel podem esticar várias vezes seu comprimento original quando hidratadas e endurecer e travar na forma alongada quando secas no estado estendido. A adição de água ou calor permite que o material volte ao seu tamanho original, tornando-o promissor para uso como atuador, disseram os cientistas.

"Começamos a reconhecer que essas fibras estavam se contraindo e exibindo algumas propriedades realmente fascinantes", disse Hickey. "Quando começamos a caracterizar a estrutura, percebemos que havia algumas coisas fundamentalmente interessantes acontecendo aqui. E começamos a reconhecer isso de muitas maneiras, a estrutura desses músculos naturais imitados ou espelhados."

Os materiais consistem em estruturas em nanoescala altamente alinhadas com domínios cristalinos e amorfos alternados, assemelhando-se ao padrão ordenado e estriado do músculo esquelético dos mamíferos, disseram os cientistas.

As propriedades de alongamento excepcionais dos hidrogéis são resultado da combinação de domínios amorfos rígidos em nanoescala e poros em escala micrométrica preenchidos com água. Quando os hidrogéis são esticados, eles voltam como um elástico. Se as fibras esticadas forem secas no estado estendido, a rede de polímeros cristalizará, bloqueando a forma alongada das fibras.

"Acreditamos que uma das razões fundamentais pelas quais temos essas propriedades excepcionais é que as fibras são organizadas com muita precisão na escala nanométrica, de forma semelhante ao sarcômero de um músculo humano", disse Hickey. "O que está acontecendo é que você tem uma contração uniforme. Esses domínios amorfos estão todos organizados precisamente ao longo da fibra, e isso significa que eles se contraem em uma única direção, o que dá origem a essa capacidade de voltar ao estado original."

A aplicação de água ou calor aos materiais esticados derrete os cristais e permite que o material retorne à sua forma original. Quando esticado até cinco vezes seu comprimento original, o material pode retornar a 80% de seu tamanho e pode fazer isso ao longo de muitos ciclos sem declínio no desempenho, disseram os cientistas.

“O fato de podermos usar dois estímulos diferentes, calor e água, para acionar a atuação abre o dobro das possibilidades de materiais feitos com esse método”, disse Hickey. "A maioria dos atuadores são acionados por um único estímulo. Estímulos duplos abrem a versatilidade de nossos materiais." + Explorar mais

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