Atuadores de hidrogel com desempenho aprimorado

Robôs feitos de metal e outros materiais sólidos já são amplamente utilizados na indústria. Mas são demasiado rígidos e pesados ​​para atividades motoras finas e interação com pessoas, como na enfermagem ou na medicina. Portanto, já está sendo realizada pesquisa intensiva em robôs feitos de materiais macios: a inspiração da natureza, como águas-vivas, minhocas, peixes ou o corpo humano, deve permitir “robôs macios” que possam se mover com flexibilidade e se adaptar ao seu ambiente.

Uma equipe de pesquisa do Instituto de Ciência de Materiais da Universidade de Kiel desenvolveu agora um novo sistema de materiais baseado em um hidrogel que funciona de forma semelhante a um músculo. O material macio pode ser reduzido e ampliado novamente de forma controlada em pouco tempo. Assim, poderia assumir tarefas de movimento em robótica suave, por exemplo. A equipe publicou recentemente seus resultados em Materiais avançados.

Material responsivo reage ao calor

Os hidrogéis, como os usados ​​em lentes de contato, são extremamente elásticos. Eles consistem quase inteiramente de água e suas propriedades mecânicas são semelhantes às dos tecidos do corpo humano. Os hidrogéis especiais, chamados de responsivos, podem encolher até 90% em resposta ao ambiente.

“Nossos hidrogéis são termorresponsivos, o que significa que reagem ao calor. Acima de uma temperatura de 32 °C, eles liberam água e, assim, reduzem seu volume”, explica a Dra. Margarethe Hauck, uma das primeiras autoras do estudo. Quando a temperatura cai, o hidrogel absorve novamente a água e retorna ao seu volume original.

O processo pode ser repetido inúmeras vezes, resultando em uma espécie de movimento. “Basicamente, esses hidrogéis têm potencial para funcionar como um músculo humano”, diz Hauck, que fez seu doutorado sobre o tema no programa de treinamento de pós-graduação “Materiais para o Cérebro”. Isso os torna interessantes como componentes atuadores para o desenvolvimento de novos tipos de robôs leves. Mas até agora, todo o processo de alteração do volume ainda levava várias semanas – lento demais para a maioria dos aplicativos.

O sistema de canais internos transporta a água de forma particularmente rápida

Cientistas de todo o mundo estão tentando alterar o volume desses hidrogéis termorresponsivos mais rapidamente, usando vários métodos. Os pesquisadores de Kiel construíram uma rede de pequenos tubos em seu hidrogel. “Isso permite que seja reduzido e ampliado muito mais rápido do que antes, sem perder estabilidade. Pelo contrário, pode até exercer até 4.000% mais força, “explica Lena Saure, estudante de doutorado na Cátedra de Nanomateriais Funcionais e também primeira autora .

“Nossa abordagem segue o exemplo da natureza”, diz o cientista de materiais Dr. Fabian Schütt, chefe do estudo e do grupo de pesquisa júnior “Engenharia de Materiais Multiescala” do Instituto de Ciência de Materiais da Universidade de Kiel. “Plantas e animais possuem sistemas de canais hierarquicamente estruturados em rede para transporte eficaz de substâncias e fluidos, como o sistema capilar em humanos. Usando esse princípio, também podemos melhorar as propriedades de materiais macios.”

O revestimento de grafeno permite o controle elétrico

Os numerosos tubos ocos interligados de alguns micrômetros de tamanho permitem que a água flua livremente para fora e para dentro do hidrogel, permitindo assim uma rápida mudança no seu volume. Um revestimento extremamente fino de grafeno também torna os tubos eletricamente condutivos. Dessa forma, os pesquisadores podem aquecer o hidrogel com corrente elétrica e controlar o transporte da água com o toque de um botão. “Este é um aspecto crucial quando se trata da aplicação prática de tais atuadores suaves”, diz Schütt.

Como resultado, toda a mudança de volume agora leva apenas algumas horas, em vez de semanas. “É claro que estamos trabalhando para acelerar ainda mais esse processo”. Isto também é possível com um feixe de luz direcionado, explica Lena Saure. “Isso tem a vantagem de que o movimento pode ser controlado sem fio, por isso é muito flexível.”

A equipe pode adaptar o hidrogel para diferentes aplicações. Por exemplo, uma estrutura diferente dos tubos ou uma concentração maior ou menor de grafeno altera os tempos de reação ou as forças exercidas.

Nicola Pugno, Professora de Estado Sólido e Mecânica Estrutural na Universidade de Trento, Itália, e atualmente convidada na Universidade de Kiel como vencedora do Prêmio Humboldt de Pesquisa, calculou como uma mudança na estrutura do material afeta as propriedades do hidrogel. Colegas do Centro Helmholtz Hereon e da Universidade Técnica de Dresden também estiveram envolvidos na colaboração.

Aplicações médicas também são possíveis

“Pela primeira vez, podemos mover um hidrogel com velocidade e força. Juntamente com suas propriedades responsivas, com as quais ele reage de forma independente a estímulos externos, isso nos traz um passo decisivo mais próximo de materiais inteligentes de alto desempenho para robótica suave”, diz o professor Rainer Adelung, chefe da cátedra e do Grupo de Treinamento em Pesquisa, destacando a importância dos resultados.

Devido às propriedades semelhantes aos tecidos do hidrogel, são concebíveis aplicações na área médica em particular, como em cirurgia assistida por robô, construção de tecidos artificiais ou também como implante para liberação controlada de medicamentos no corpo humano.

Fornecido por Christian-Albrechts-Universität zu Kiel