Pesquisadores da Empa desenvolveram um método para produzir estruturas macias e elásticas, mas poderosas – semelhantes a músculos – usando impressão 3D. Um dia, essas estruturas poderão ser usadas em medicina, robótica e muito mais.
Desenvolver músculos artificiais que possam ser comparados aos reais é um grande desafio técnico. Para acompanhar suas contrapartes biológicas, os músculos artificiais não devem ser apenas poderosos, mas também elásticos e macios. Em sua essência, os músculos artificiais são os chamados atuadores – componentes que convertem impulsos elétricos em movimento. Atuadores são usados sempre que algo se move com o apertar de um botão, seja em casa, no motor de um carro ou em plantas industriais altamente desenvolvidas. No entanto, esses componentes mecânicos rígidos não têm muito em comum com os músculos.
Pela primeira vez, uma equipe de pesquisadores do Laboratório de Polímeros Funcionais da Empa desenvolveu um método para produzir componentes tão complexos usando uma impressora 3D. Os chamados atuadores elásticos dielétricos (DEA) consistem em dois materiais diferentes à base de silicone: um material de eletrodo condutor e um dielétrico não condutor. Esses materiais se interligam em camadas. “É um pouco como entrelaçar os dedos”, disse Patrick Danner, pesquisador da Empa. Se uma voltagem elétrica for aplicada aos eletrodos, o atuador se contrai como um músculo. Quando a voltagem é desligada, ele relaxa para sua posição original.
A impressão 3D de tal estrutura não é trivial. Apesar de suas propriedades elétricas muito diferentes, os dois materiais macios devem se comportar de forma muito semelhante durante o processo de impressão. Eles não devem se misturar, mas ainda devem se manter juntos no atuador finalizado.
Os “músculos” impressos devem ser o mais macios possível para que um estímulo elétrico possa causar a deformação necessária. Somados a isso estão os requisitos que todos os materiais imprimíveis em 3D extrudados devem cumprir: eles devem se liquefazer sob pressão para que possam ser extrudados para fora do bico da impressora. Imediatamente depois, no entanto, eles devem ser viscosos o suficiente para reter a forma impressa. “Essas propriedades estão frequentemente em contradição direta”, disse Danner. “Se você otimizar um deles, outros três mudam… geralmente para pior.”
Em colaboração com pesquisadores da ETH Zurich, Danner e Dorina Opris, que lidera o grupo de pesquisa Functional Polymeric Materials, conseguiram reconciliar muitas dessas propriedades contraditórias. Duas tintas especiais – desenvolvidas na Empa – são impressas em atuadores macios funcionais usando um bico desenvolvido pelos pesquisadores da ETH Tazio Pleij e Jan Vermant. A colaboração faz parte do projeto de larga escala Manufhaptics, que faz parte da área estratégica de manufatura avançada do ETH Domain. O projeto visa desenvolver uma luva que torne os mundos virtuais tangíveis. Os músculos artificiais são projetados para simular a preensão de objetos por meio de resistência.
No entanto, há muito mais aplicações potenciais para atuadores macios. Eles são leves, silenciosos e, graças ao novo processo de impressão 3D, podem ser moldados conforme necessário. Eles podem substituir atuadores convencionais em carros, máquinas e robótica. Se forem desenvolvidos ainda mais, também podem ser usados para aplicações médicas (nas quais Dorina Opris e Patrick Danner já estão trabalhando).
Seu novo processo pode ser usado para imprimir não apenas formas complexas, mas também fibras elásticas longas. “Se conseguirmos torná-los um pouco mais finos, podemos chegar bem perto de como as fibras musculares reais funcionam”, disse Opris, que acredita que, no futuro, pode ser possível imprimir um coração inteiro a partir dessas fibras. Para saber mais sobre os atuadores acesse o site.
