Un nuevo material ferroeléctrico podría dar músculos a los robots

Jan 04, 2024

Robótica y Automatización INSIDER

Un nuevo tipo de polímero ferroeléctrico que es excepcionalmente bueno para convertir energía eléctrica en tensión mecánica es prometedor como controlador o "actuador" de movimiento de alto rendimiento con gran potencial para aplicaciones en dispositivos médicos, robótica avanzada y sistemas de posicionamiento de precisión, según un estudio. equipo de investigadores internacionales dirigido por Penn State.

La tensión mecánica, cómo un material cambia de forma cuando se aplica una fuerza, es una propiedad importante para un actuador, que es cualquier material que cambiará o se deformará cuando se aplique una fuerza externa, como la energía eléctrica. Tradicionalmente, estos materiales de actuador eran rígidos, pero los actuadores blandos, como los polímeros ferroeléctricos, muestran una mayor flexibilidad y adaptabilidad ambiental.

La investigación demostró el potencial de los nanocompuestos de polímeros ferroeléctricos para superar las limitaciones de los compuestos de polímeros piezoeléctricos tradicionales, ofreciendo una vía prometedora para el desarrollo de actuadores blandos con mayor rendimiento de deformación y densidad de energía mecánica. Estos actuadores blandos son de especial interés para los investigadores de robótica debido a su fuerza, potencia y flexibilidad.

"Potencialmente ahora podemos tener un tipo de robótica blanda a la que nos referimos como músculo artificial", dijo Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Penn State y coautor correspondiente del estudio publicado recientemente en Nature Materials. “Esto nos permitiría tener materia blanda que pueda soportar una carga elevada además de una gran tensión. Entonces, ese material sería más bien una imitación del músculo humano, una imitación cercana al músculo humano”.

Sin embargo, hay algunos obstáculos que superar antes de que estos materiales puedan cumplir su promesa; en el estudio se propusieron posibles soluciones a estos obstáculos. Los ferroeléctricos son una clase de materiales que demuestran una polarización eléctrica espontánea cuando se aplica una carga eléctrica externa y las cargas positivas y negativas de los materiales se dirigen a diferentes polos. La tensión en estos materiales durante la transición de fase, en este caso la conversión de energía eléctrica en energía mecánica, puede cambiar completamente propiedades como su forma, lo que los hace útiles como actuadores.

Una aplicación común de un actuador ferroeléctrico es una impresora de inyección de tinta, donde la carga eléctrica cambia la forma del actuador para controlar con precisión las pequeñas boquillas que depositan tinta en el papel para formar texto e imágenes.

Si bien muchos materiales ferroeléctricos son cerámicos, también pueden ser polímeros, una clase de materiales naturales y sintéticos hechos de muchas unidades similares unidas entre sí. Por ejemplo, el ADN es un polímero, al igual que el nailon. Una ventaja de los polímeros ferroeléctricos es que exhiben una enorme cantidad de tensión inducida por el campo eléctrico necesaria para su actuación. Esta tensión es mucho mayor que la generada por otros materiales ferroeléctricos utilizados para actuadores, como la cerámica.

Esta propiedad de los polímeros ferroeléctricos, junto con un alto nivel de flexibilidad, un coste reducido en comparación con otros materiales ferroeléctricos y un peso reducido, suscita un gran interés para los investigadores en el creciente campo de la robótica blanda, el diseño de robots con piezas flexibles y la electrónica.

"En este estudio propusimos soluciones a dos desafíos importantes en el campo de la actuación de materiales blandos", dijo Wang. "Uno es cómo mejorar la fuerza de los materiales blandos. Sabemos que los materiales de accionamiento blandos que son polímeros tienen la mayor tensión, pero generan mucha menos fuerza en comparación con las cerámicas piezoeléctricas”.

El segundo desafío es que un actuador de polímero ferroeléctrico normalmente necesita un campo impulsor muy alto, que es una fuerza que impone un cambio en el sistema, como el cambio de forma en un actuador. En este caso, el alto campo impulsor es necesario para generar el cambio de forma en el polímero requerido para la reacción ferroeléctrica necesaria para convertirse en un actuador.

La solución propuesta para mejorar el rendimiento de los polímeros ferroeléctricos fue desarrollar un nanocompuesto de polímero ferroeléctrico percolativo, una especie de pegatina microscópica adherida al polímero. Al incorporar nanopartículas en el polímero fluoruro de polivinilideno, los investigadores crearon una red interconectada de polos dentro del polímero.

Esta red permitió inducir una transición de fase ferroeléctrica en campos eléctricos mucho más bajos de lo que normalmente se requeriría. Esto se logró mediante un método electrotérmico que utiliza calentamiento Joule, que ocurre cuando la corriente eléctrica que pasa a través de un conductor produce calor. El uso del calentamiento Joule para inducir la transición de fase en el polímero nanocompuesto resultó en requerir menos del 10 por ciento de la fuerza de un campo eléctrico que normalmente se necesita para el cambio de fase ferroeléctrica.

"Normalmente, la tensión y la fuerza en los materiales ferroeléctricos están correlacionadas entre sí, en una relación inversa", dijo Wang. “Ahora podemos integrarlos en un solo material y desarrollamos un nuevo enfoque para impulsarlo mediante calentamiento Joule. Dado que el campo de conducción será mucho menor, menos del 10 %, este nuevo material se puede utilizar para muchas aplicaciones que requieren un campo de conducción bajo para ser eficaz, como dispositivos médicos, dispositivos ópticos y robótica blanda. "

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