Os engenheiros desenvolvem músculos de auto-cicatrização para robôs

Uma equipe de engenharia da Universidade de Nebraska-Lincoln está mais um passo mais perto do desenvolvimento de robótica suave e sistemas vestíveis que imitam a capacidade da pele humana e planta para detectar e lesões de auto-curas.

O engenheiro Eric Markvicka, juntamente com os estudantes de pós-graduação Ethan Krings e Patrick McManigal, apresentaram recentemente um artigo na Conferência Internacional do IEEE sobre robótica e automação em Atlanta, na Geórgia, que define uma abordagem de nível de robótica de uma pinça e a pinheira.

O artigo estava entre os 39 dos 1.606 envios selecionados como um finalista do ICRA 2025 Best Paper Award. Foi também um finalista do prêmio de Melhor Student Paper e na categoria Mecanismo e Design.

A estratégia da equipe pode ajudar a superar um problema de longa data no desenvolvimento de sistemas de robótica suave que importam princípios de design inspirados na natureza.

“Em nossa comunidade, há um enorme impulso para replicar sistemas rígidos tradicionais usando materiais macios e um enorme movimento em direção à biomimética”, disse Markvicka, Robert F. e Myrna L. Krohn Professor Assistente de Engenharia Biomédica. “Embora tenhamos sido capazes de criar eletrônicos e atuadores elásticos que são macios e conforme, eles geralmente não imitam a biologia em sua capacidade de responder a danos e depois iniciar a auto-reparo”.

Para preencher essa lacuna, sua equipe desenvolveu um músculo artificial inteligente e auto-ciclista, com uma arquitetura de várias camadas que permite ao sistema identificar e localizar danos e iniciar um mecanismo de auto-reparo-tudo sem intervenção externa.

“O corpo e os animais humanos são incríveis. Podemos ser cortados e machucados e sofrer lesões bastante graves. E na maioria dos casos, com aplicações externas muito limitadas de bandagens e medicamentos, podemos se auto-curar muitas coisas”, disse Markvicka. “Se pudéssemos replicar isso nos sistemas sintéticos, isso realmente transformaria o campo e como pensamos em eletrônicos e máquinas”.

O “músculo” da equipe – ou atuador, a parte de um robô que converte energia em movimento físico – tem três camadas. A parte inferior – a camada de detecção de danos – é uma pele eletrônica macia composta de microdropletas de metal líquido embutidas em um elastômero de silicone. Essa pele é aderida à camada média, o componente de autocura, que é um elastômero termoplástico rígido. No topo está a camada de atuação, que inicia o movimento do músculo quando pressurizada com água.

Para iniciar o processo, a equipe induziu cinco correntes de monitoramento na “pele” inferior do músculo, que é conectada a um microcontrolador e ao circuito de detecção. Os danos por punção ou pressão nessa camada desencadeiam a formação de uma rede elétrica entre os traços. O sistema reconhece essa pegada elétrica como evidência de danos e aumenta posteriormente a corrente que está sendo executada pela rede elétrica recém -formada.

Isso permite que essa rede funcione como um aquecedor de joule local, convertendo a energia da corrente elétrica em calor em torno das áreas de dano. Depois de alguns minutos, esse calor derrete e reprocessa a camada termoplástica média, que sela o dano-eficazmente auto-curando a ferida.

A última etapa está redefinindo o sistema de volta ao seu estado original, apagando a pegada de danos elétricos da camada inferior. Para fazer isso, a equipe de Markvicka está explorando os efeitos da eletromigração, um processo no qual uma corrente elétrica faz com que os átomos de metal migram. O fenômeno é tradicionalmente visto como um obstáculo nos circuitos metálicos, porque os átomos em movimento se deformam e causam lacunas nos materiais de um circuito, levando a falhas e quebra do dispositivo.

Em uma grande inovação, os pesquisadores estão usando a eletromigração para resolver um problema que há muito atormentou seus esforços para criar um sistema autônomo e autônomo: a aparente permanência das redes elétricas induzidas por danos na camada inferior. Sem a capacidade de redefinir os traços de monitoramento da linha de base, o sistema não pode completar mais de um ciclo de dano e reparo.

Ele atingiu os pesquisadores de que a eletromigração-com sua capacidade de separar fisicamente os íons metálicos e desencadear a falha do circuito aberto-pode ser a chave para apagar os traços recém-formados. A estratégia funcionou: aumentando ainda mais a corrente, a equipe pode induzir mecanismos de eletromigração e falha térmica que redefinem a rede de detecção de danos.

“A eletromigração é geralmente vista como um enorme negativo”, disse Markvicka. “É um dos gargalos que impediu a miniaturização da eletrônica. Nós o usamos de uma maneira única e realmente positiva aqui. Em vez de tentar impedir que isso aconteça, somos, pela primeira vez, aproveitando -o para apagar traços que costumávamos pensar que eram permanentes”.

A tecnologia autônoma de autocura tem o potencial de revolucionar muitas indústrias. Em estados agrícolas como o Nebraska, pode ser um benefício para sistemas de robótica que freqüentemente encontram objetos nítidos, como galhos, espinhos, plástico e vidro. Também pode revolucionar dispositivos de monitoramento de saúde vestíveis que devem suportar o desgaste diário.

A tecnologia também beneficiaria a sociedade de maneira mais ampla. A maioria dos eletrônicos baseados em consumidores tem vida útil de apenas um ou dois anos, contribuindo para bilhões de libras de resíduos eletrônicos a cada ano. Esse resíduo contém toxinas como chumbo e mercúrio, que ameaçam a saúde humana e ambiental. A tecnologia de autocura pode ajudar a conter a maré.

“Se pudermos começar a criar materiais capazes de detectar de maneira passível e autonomamente quando o dano ocorrer e iniciar esses mecanismos de auto-reparo, seria realmente transformador”, disse Markvicka.