Para replicar efetivamente os movimentos de humanos e animais, os robôs devem integrar estruturas semelhantes a músculos. Esses músculos artificiais devem atingir um desempenho ideal em todos os parâmetros de atuação relevantes, incluindo densidade de energia, tensão, estresse e força mecânica.

Pesquisadores do KAIST e da Pusan ??National University, na Coreia do Sul, desenvolveram recentemente um atuador para aplicações de robótica inspirado nas estruturas esqueléticas e musculares dos mamíferos. Este atuador, apresentado em um artigo publicado na Nature Nanotechnology , é baseado em fibras macias com fortes propriedades de atuação contrativa .

"Fiquei sabendo dos atuadores de elastômero de cristal líquido (LCE) durante uma reunião acadêmica com o Prof. Suk Kyun Ahn, um dos coautores do artigo", disse Sang Ouk Kim, um dos pesquisadores que realizou o estudo. “Os LCEs são promissores materiais de atuadores macios com alteração dimensional reversível incomumente grande (encolhimento/relaxamento) após a atuação, o que raramente é observado em outros tipos de materiais de atuadores, mas altamente significativo para imitar idealmente o comportamento natural do músculo esquelético”.

Muitos atuadores desenvolvidos no passado são baseados em materiais LCE, uma classe de polímeros que podem mudar rapidamente de forma em resposta a estímulos ambientais. Apesar de suas vantagens de transformação de forma, os polímeros LCE são conhecidos por estarem associados a propriedades mecânicas relativamente ruins e comportamento de atuação fraco.

Para superar essa limitação, Kim e Prof. Ahn decidiram incorporar super-forte. Para superar essa limitação, Kim e o Prof. Ahn decidiram incorporar cargas de grafeno nos atuadores LCE. Além de melhorar suas propriedades mecânicas, a equipe esperava que os enchimentos de grafeno permitissem uma atuação controlada por luz, rápida e remotamente controlável, devido à capacidade de conversão fototérmica do grafeno.

“Atuadores LCE puros geralmente requerem elevação de temperatura, que geralmente é um processo demorado sem controle espacial específico, para acionar uma atuação impulsionada pelo estado alinhado do cristal líquido para o estado isotrópico aleatório enrolado das moléculas LCE”, explicou Kim.

Os atuadores desenvolvidos pelos pesquisadores são baseados em fibras macias e incluem enchimentos de grafeno que são finamente esfoliados na matriz do material LCE. Quando uma luz laser é aplicada na fibra, o efeito de conversão fototérmica associado ao preenchimento de grafeno aumenta instantaneamente a temperatura de sua matriz LCE circundante. Isso faz com que as moléculas de LCE mudem de um estado alinhado de cristal líquido para o chamado estado de bobina aleatória isotrópica, fazendo com que as fibras encolham em comprimento em uma escala macroscópica.

"Depois que a iluminação do laser é removida, a fibra restaura o comprimento original enquanto a matriz LCE é resfriada instantaneamente", disse Kim. "A incorporação sinérgica de uma porção menor (~0,3% em peso) de enchimentos fortes de grafeno fortalece o próprio material do atuador, bem como seu desempenho de atuação. A conversão fototérmica rápida permitida pelos enchimentos de grafeno também atinge uma atuação rápida e reversível de alta potência, que pode ser facilmente controlável remotamente por manipulação de luz externa."

Uma das características mais valiosas do atuador criado por Kim e seus colegas é a percolação reversível da rede de preenchimento de grafeno dentro dele. Este processo permite que as fibras sejam encolhidas e relaxadas reversivelmente de volta ao seu tamanho original, garantindo ao mesmo tempo a alta resistência mecânica durante todo o ciclo de atuação.

“O grande encolhimento/relaxamento reversível da atuação da fibra longitudinal induz a montagem e desmontagem reversíveis da rede de preenchimento de grafeno dentro do volume do atuador composto”, disse Kim.

"Esse comportamento sem precedentes fortalece muito o atuador, particularmente no estado acionado encolhido e traz a intrigante modulação da condutividade elétrica dependendo do estado de atuação, que é semelhante à geração de sinal EMG de músculos naturais. Notavelmente, a fraqueza mecânica inerente do atuador LCE particularmente no estado encolhido atuado tem sido o desafio crítico de longa data para a utilização prática de atuadores LCE."

Os pesquisadores avaliaram seu atuador em uma série de testes e descobriram que alcançaram resultados altamente promissores. Na verdade, eles exibiram ambas as propriedades vantajosas de transformação de forma de atuadores baseados em materiais LCE, além de permitir uma tensão de atuação robusta e reversível.

“Nosso atuador finalmente alcança um desempenho de atuação praticamente significativo, que supera o dos músculos naturais dos animais de várias maneiras, incluindo tensão de atuação, estresse, densidade de energia e potência”, disse Kim. "Músculos artificiais apresentados em trabalhos anteriores às vezes atingiram desempenhos superiores em uma ou algumas dessas características, mas ainda não houve relato desse tipo de desempenho superior geral em comparação com o músculo natural."

Kim e seus colegas finalmente demonstraram o potencial de seus atuadores implementando-os em robôs macios e avaliando seu desempenho em uma série de tarefas. Eles descobriram que os robôs eram capazes de imitar diferentes movimentos humanos e animais, por exemplo, levantar um haltere de 1 kg, dobrar dedos individuais em uma mão artificial e reproduzir o movimento de lagartas.

Curiosamente, a equipe testou uma lagarta robótica com base em seu atuador, fazendo-a "correr" com uma lagarta viva. Seu sistema venceu a corrida, destacando ainda mais o potencial de seu atuador baseado em fibra única para criar robôs super fortes e de alto desempenho, ferramentas protéticas biônicas e talvez até roupas inteligentes reconfiguráveis.

“O próximo grande desafio será integrar nosso músculo artificial com atividade neural”, acrescentou Kim. "Se a fibra do atuador individual for especificamente controlável, imitando o controle neutro, movimentos e locomoção sofisticados como animais naturais devem ser possíveis enquanto houver interface com o cérebro humano ou IA. Atualmente, a maioria dos atuadores depende de sistemas mecânicos rígidos. Nosso atuador macio composto seria um candidato promissor para o endereço das limitações inerentes do sistema de atuação mecânica tradicional, como peso pesado e rigidez mecânica, e para alcançar um animal verdadeiramente natural como a robótica macia."