Uma pele iônica que poderia fornecer aos robôs sensação tátil e recursos de reconhecimento de textura

Através das pontas dos dedos, os humanos podem tocar e agarrar as coisas ao seu redor, mas também podem sentir as propriedades táteis dos objetos e detectar outras mudanças atmosféricas. As pontas dos dedos são partes incrivelmente sensíveis da nossa pele, com padrões de impressão digital exclusivos gravados nelas.

Os robóticos têm tentado criar pontas de dedos artificiais cada vez mais aprimoradas, pois elas podem permitir que os robôs discriminem as texturas finas dos objetos e, potencialmente, até mesmo monitorem as mudanças atmosféricas em seu ambiente. Embora vários materiais semelhantes à pele tenham sido propostos nos últimos anos, a maioria deles não replica efetivamente as mesmas capacidades táteis dos humanos.

Pesquisadores da Universidade de Donghua, na China, introduziram recentemente uma nova pele iônica que pode ser usada para simular a função das pontas dos dedos em robôs. Esta pele, apresentada em um artigo em Materiais avançadospoderia permitir que os robôs sentissem as propriedades táteis dos objetos e reconhecessem diferentes texturas ou materiais.

“Este trabalho foi inicialmente inspirado pelas pontas dos dedos e impressões digitais que usamos para tocar e perceber o mundo todos os dias”, disse o Dr. Shengtong Sun, um dos pesquisadores que realizou o estudo, ao Tech Xplore. “Embora numerosas pontas de dedos biomiméticas ‘duras’ tenham sido relatadas nos últimos anos, dois desafios principais permanecem no projeto de peles iônicas artificiais ‘macias’ com capacidades táteis semelhantes às pontas dos dedos. Um é como superar a interferência de tensão na detecção de pressão tátil; o outro é alcançando o reconhecimento de textura fina como a ponta dos dedos, que também é uma manifestação de alta sensibilidade tátil.”

Como parte de seu estudo recente, o Dr. Sun e seus colegas decidiram superar esses dois principais desafios geralmente enfrentados ao tentar desenvolver peles macias compostas de íons, também conhecidas como peles iônicas. Para fazer isso, eles primeiro ponderaram sobre como poderiam formar e caracterizar padrões de impressão digital em um material macio, imitando a estrutura e a função das pontas dos dedos humanos.

“Percebemos que as pontas dos dedos apresentam uma estrutura de impressão digital de contraste de módulo com sulcos e vales periódicos”, explicou o Dr. Sun. “Acredita-se que tal padrão periódico endógeno seja criado por um processo de difusão de reação de não equilíbrio do efeito bioquímico de Turing”.

Quando as pontas dos dedos estão sentindo as propriedades táteis dos objetos que estão tocando, teoriza-se que as cristas rígidas dentro delas atuam como microalavancas mecânicas que podem transmitir rapidamente sinais de vibração tátil para receptores na derme (ou seja, camada espessa de tecido abaixo da camada externa da pele). ). Estas cristas deformam-se apenas ligeiramente quando em contacto com superfícies ou objectos, permitindo-lhes manter um contacto quase constante com os mesmos. Como resultado, a sensibilidade à pressão das pontas dos dedos é quase livre de distorção por tensão.

“Inspirados por essas características das pontas dos dedos, fabricamos uma pele iônica estética também desenvolvida a partir de um processo de padronização de Liesegang sem equilíbrio”, disse o Dr. Sun. “Curiosamente, uma pele iônica tão estética demonstrou possuir a sensibilidade à pressão imperturbável semelhante à ponta do dedo, bem como a capacidade de reconhecer texturas.”

Para criar essa pele iônica estética, o Dr. Sun e seus colegas usaram uma estratégia de padronização de Liesegang, que envolve uma reação de precipitação para criar padrões em materiais de hidrogel. Usando essa técnica, eles criaram sulcos rígidos embutidos em um hidrogel elástico, semelhantes aos observados nas pontas dos dedos humanos.

“O padrão de Liesegang geralmente ocorre quando uma reação de precipitação é acoplada ao transporte de massa de reagentes em meio de gel poroso, levando a bandas periódicas de precipitados”, disse o Dr. Sun. “Ao revestir com uma camada de fluoroelastômero, a pele iônica com padrão de Liesegang pode atuar como um sensor tátil triboelétrico altamente sensível. Beneficiando-se do contraste de módulo de vales suaves e sulcos rígidos, o sensor tátil triboelétrico pode detectar com sensibilidade estímulos de pressão dinâmica também como reconhecer texturas finas e mostra sensibilidade à pressão quase inalterada, mesmo quando esticada até a tensão máxima de falha (~ 50%) da pele humana.”

Os pesquisadores montaram a pele iônica padronizada que criaram com outro ionogel piezoresistivo para imitar o sistema sensorial tátil multimodal biológico de forma ainda mais realista. Em uma série de testes preliminares, o sensor tátil semelhante à pele artificial resultante alcançou resultados altamente promissores, detectando informações táteis mesmo quando foi esticado.

“Este trabalho introduz criativamente o fenômeno de difusão de reação fora do equilíbrio no projeto de materiais de detecção iônica”, disse o Dr. Sun. “A película iônica estética resultante com padrões Liesegang periódicos é caracterizada por sulcos rígidos incorporados em uma matriz de hidrogel macia. Essa estrutura híbrida de módulo de contraste confere à película iônica propriedades intrigantes de detecção tátil de sensibilidade à pressão imperturbável baseada em tensão triboelétrica e textura fina reconhecimento, que raramente foram alcançados em peles iônicas artificiais anteriores.”

No futuro, o sensor tátil artificial baseado em hidrogel desenvolvido por esta equipe de pesquisadores pode ser usado para criar peles robóticas macias ou dedos artificiais que podem adquirir sinais de pressão dinâmica e estática em tempo real enquanto um robô segura objetos. Além disso, o trabalho do Dr. Sun e seus colegas poderia inspirar a criação de outras peles iônicas promissoras para aplicações robóticas usando o padrão Liesegang.

“A pele iônica estética com padrão de Liesegang foi fabricada em um substrato de hidrogel, e o material resultante tem uma certa espessura de cerca de 2 mm”, acrescentou o Dr. Sun. “Isso pode não ser fino o suficiente para atender a futuras aplicações de robótica leve. Em nossos próximos estudos, tentaremos introduzir padrões Liesegang em uma matriz ultrafina para preparar peles iônicas artificiais de película fina.”

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