Inspirado nas borboletas: propulsão inteligente para os robôs do futuro
Os microespirais de pentóxido de vanádio controláveis magneticamente conseguem mover 30 vezes o seu próprio peso
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Investigadores da Universidade de Estugarda e do Instituto Max Planck de Investigação do Estado Sólido desenvolveram pequenos rolos que podem ser desenrolados e enrolados de forma controlada através de um íman. O modelo para esta invenção foi a probóscide das borboletas. Estes materiais inteligentes permitem o desenvolvimento de tecnologias de acionamento mais eficientes para a micro-robótica e a robótica suave, um campo de investigação de grande importância económica. Os resultados foram publicados na revista «Advanced Materials».
Os novos sistemas robóticos estão cada vez mais a dar que falar: os microrrobôs são robôs extremamente pequenos com potenciais aplicações em áreas como a medicina e a indústria. Ao mesmo tempo, o campo da robótica mole — que se baseia em materiais flexíveis e adaptáveis — está a avançar para tornar os robôs mais adaptáveis e seguros. Tal como na robótica (macroscópica), os atuadores também têm de controlar movimentos ou pinças na microrrobótica e na robótica suave. No entanto, como os sistemas globais na microrrobótica são muito mais pequenos e, na robótica suave, têm de ser elasticamente moldáveis, isto cria requisitos totalmente novos para os componentes de um sistema deste tipo. Muitas vezes, estes requisitos só podem ser satisfeitos através da utilização de novos materiais. Foi aqui que a equipa liderada pela Dra. Zaklina Burghard, chefe de grupo no Instituto de Ciência dos Materiais da Universidade de Estugarda, entrou em ação.
«A microrrobótica e a robótica macia requerem atuadores que permitam aos sistemas robóticos agarrar, mover-se e interagir com o seu ambiente», afirma Burghard. «Não nos limitámos a desenvolver mais um atuador. Criámos uma plataforma de fabrico que transforma películas funcionais ultrafinas em micro-rolos cerâmicos tridimensionais programáveis em questão de segundos. Estes micro-rolos servem como elementos de atuação compactos para futuros sistemas robóticos.» A plataforma tecnológica é o mais recente resultado da investigação de longa data de Burghard sobre sistemas de materiais cerâmicos bioinspirados.
Inspirado na probóscide da borboleta
A borboleta não inspirou a função biológica do atuador, mas sim o elegante movimento de enrolar e desenrolar da sua probóscide. Este movimento característico tornou-se o ponto de partida para o desenvolvimento dos novos micro-rolos cerâmicos. Os investigadores fabricaram películas ultrafinas de pentóxido de vanádio contendo nanopartículas magnéticas de óxido de ferro e transformaram-nas em micro-rolos tridimensionais através de um processo mecânico simples.
Para fabricar os micro-rolos, as películas cerâmicas ultrafinas são cuidadosamente descascadas do seu substrato com uma lâmina de barbear. Funcionando de forma muito semelhante a um plano de carpintaria em miniatura, a lâmina dobra continuamente a película libertada, fazendo com que esta se enrole num micro-rolo bem apertado em poucos segundos. Ao aproximar um íman do micro-rolinho, este desenrola-se rapidamente; ao remover o campo magnético, volta a enrolar-se.
Ao contrário da cerâmica convencional, estas películas ultrafinas não são frágeis, mas sim flexíveis. O seu comportamento mecânico invulgar resulta de uma nanoestrutura e microestrutura hierárquicas inspiradas na biologia, que permitem a deformação elástica, preservando simultaneamente a integridade estrutural do material cerâmico.
Pequenos micro-rolos cerâmicos levantam mais de 30 vezes o seu próprio peso
Os investigadores produziram rolos com alguns micrómetros de largura e que, quando enrolados, têm um diâmetro de apenas algumas centenas de micrómetros. Quando desenrolados, atingem até 25 mm de comprimento. Em experiências, os rolos revelaram-se muito duráveis: mesmo após 5 000 ciclos, continuam a funcionar na perfeição. Os microrolamentos cerâmicos são capazes de mover mais de 30 vezes o seu próprio peso. «Os microrolamentos também podem ser dispostos em matrizes programáveis», afirma Burghard. «Isto permite que vários atuadores funcionem simultaneamente e realizem tarefas coordenadas, tais como levantar, transportar ou manipular objetos microscópicos.»
O pentóxido de vanádio foi selecionado como material-modelo porque tem estado no centro da investigação de Burghard há muitos anos e proporcionou a base ideal para o desenvolvimento da nova plataforma de fabrico.
«Para mim, o atuador é apenas o começo», afirma Burghard. «A verdadeira inovação é a própria plataforma de rolamento. Pode ser aplicada a muitos materiais diferentes de película fina, orgânicos e inorgânicos, abrindo as portas a microssistemas programáveis totalmente novos.» Para além da micro-robótica e da robótica suave, a plataforma poderá viabilizar futuros componentes eletrónicos, sensores, dispositivos de armazenamento de energia e outros microssistemas multifuncionais adaptados a aplicações específicas.
A natureza como modelo para materiais futuros
O desenvolvimento dos micro-rolos cerâmicos magnéticos teve início no âmbito de um projeto de investigação financiado pela DFG e liderado por Burghard. Como parte deste projeto, Semi Kim realizou os primeiros estudos experimentais durante a sua tese de mestrado em 2023, lançando as bases para o presente estudo. Com base nestes resultados iniciais, a equipa de investigação expandiu e aperfeiçoou ainda mais o conceito.
A investigação é realizada no Departamento de Materiais Bioinspirados do Instituto de Ciência dos Materiais. «No nosso departamento, combinamos a natureza como fonte de inspiração com a ciência moderna dos materiais. Os estudantes aprendem como os princípios da física, da química, da modelação computacional e do design de materiais bioinspirados são integrados para desenvolver a próxima geração de materiais funcionais e microssistemas programáveis. Esta abordagem interdisciplinar única reflete-se diretamente na nossa investigação», afirma Burghard. «O nosso trabalho reúne conceitos bioinspirados, nanomateriais cerâmicos, funcionalidade magnética, mecânica e fabrico avançado numa única plataforma para os microssistemas programáveis do futuro.»
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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