A pesquisa pode avançar na fabricação e no design de robótica leve

Os robôs macios usam materiais flexíveis, como elastômeros, para interagir com segurança com o corpo humano e outros objetos e ambientes delicados e desafiadores. Uma equipe de pesquisadores da Rice University desenvolveu um modelo analítico que pode prever o tempo de cura de elastômeros de silicone catalisados ​​por platina em função da temperatura. O modelo poderia ajudar a reduzir o desperdício de energia e melhorar o rendimento da fabricação de componentes à base de elastômeros.

“Em nosso estudo, analisamos os elastômeros como uma classe de materiais que permite a robótica suave, um campo que teve um grande aumento no crescimento na última década”, disse Daniel Preston, professor assistente de engenharia mecânica da Rice e autor correspondente em um estudo publicado em Cell Reports Ciências Físicas.

“Embora existam algumas pesquisas relacionadas sobre materiais como epóxis e até mesmo sobre vários elastômeros de silicone específicos, até agora não havia nenhum relato quantitativo detalhado da reação de cura para muitos dos elastômeros de silicone disponíveis comercialmente que as pessoas estão realmente usando para fazer robôs macios. Nosso trabalho preenche essa lacuna.”

Os elastômeros de silicone catalisados ​​por platina que Preston e sua equipe estudaram normalmente começam como dois líquidos viscoelásticos que, quando misturados, se transformam com o tempo em um sólido emborrachado. Como uma mistura líquida, eles podem ser despejados em moldes complexos e, assim, usados ​​para fundir componentes complexos. O processo de cura pode ocorrer à temperatura ambiente, mas também pode ser acelerado com calor.

Os processos de fabricação envolvendo elastômeros normalmente dependem de estimativas empíricas de temperatura e duração para controlar o processo de cura. No entanto, esta abordagem aproximada torna difícil prever como os elastômeros se comportarão sob diversas condições de cura. Ter uma estrutura quantitativa para determinar exatamente como a temperatura afeta a velocidade de cura permitirá aos fabricantes maximizar a eficiência e reduzir o desperdício.

“Anteriormente, usar modelos existentes para prever o comportamento de cura dos elastômeros sob condições variadas de temperatura era uma tarefa muito mais desafiadora”, disse Te Faye Yap, estudante de graduação no laboratório de Preston e principal autor do estudo. “Há uma enorme necessidade de tornar os processos de produção mais eficientes e reduzir o desperdício, tanto em termos de consumo de energia como de materiais.”

Para entender como a temperatura afeta o processo de cura, os pesquisadores usaram um reômetro – um instrumento que mede as propriedades mecânicas de líquidos e sólidos macios – para analisar o comportamento de cura de seis elastômeros catalisados ​​por platina disponíveis comercialmente.

“Conseguimos desenvolver um modelo baseado no que é chamado de relação de Arrhenius, que relaciona essa taxa de reação de cura com a temperatura na qual o elastômero está sendo curado”, disse Preston. “Agora temos uma compreensão quantitativa muito boa de como exatamente a temperatura afeta a velocidade de cura.”

A estrutura de Arrhenius, uma fórmula que relaciona a taxa de reações químicas à temperatura, tem sido usada em diversos contextos, como processamento de semicondutores e inativação de vírus.

Preston e seu grupo usaram a estrutura em alguns de seus trabalhos anteriores e descobriram que ela também se aplica à cura de reações para materiais como epóxis, conforme descrito em estudos anteriores. Neste estudo, os pesquisadores usaram a estrutura de Arrhenius juntamente com dados reológicos para desenvolver um modelo analítico que pudesse impactar diretamente as práticas de fabricação.

“Neste trabalho, realmente investigamos a reação de cura em função da temperatura do elastômero, mas também analisamos em profundidade as propriedades mecânicas dos elastômeros quando curados em temperaturas elevadas para atingir rendimentos e velocidades de cura mais elevados.” Preston disse.

Os pesquisadores realizaram testes mecânicos em amostras de elastômeros que foram curadas em temperatura ambiente e em temperaturas elevadas para verificar se os tratamentos de aquecimento impactam as propriedades mecânicas dos materiais.

“Descobrimos que a exposição dos elastômeros a 70 graus Celsius (158 Fahrenheit) não altera as propriedades de tração e compressão do material quando comparado aos componentes que foram curados à temperatura ambiente”, disse Yap.

“Além disso, para demonstrar o uso da cura acelerada na fabricação de um dispositivo, fabricamos pinças macias e acionadas pneumaticamente em condições de temperatura elevada e ambiente, e não observamos nenhuma diferença no desempenho das pinças durante a pressurização.”

Embora a temperatura não pareça ter efeito na capacidade dos elastômeros de resistir ao estresse mecânico, os pesquisadores descobriram que ela teve impacto na adesão entre os componentes.

“Digamos que já curamos alguns componentes diferentes que precisam ser montados em um sistema robótico completo e flexível”, disse Preston. “Quando tentamos aderir esses componentes uns aos outros, há um impacto na adesão ou na capacidade de colá-los. Nesse caso, isso é muito afetado pela extensão da cura que ocorreu antes de tentarmos unir.”

A pesquisa avança a compreensão científica de como a temperatura pode ser usada para manipular processos de fabricação envolvendo elastômeros, o que poderia abrir o espaço de design da robótica leve para aplicações novas ou aprimoradas. Uma área importante de interesse é a indústria biomédica.

“Os robôs cirúrgicos muitas vezes se beneficiam por serem complacentes ou de natureza suave, porque operar dentro do corpo humano significa que você deseja minimizar o risco de perfurações ou hematomas em tecidos ou órgãos”, disse Preston.

“Portanto, muitos dos robôs que agora operam dentro do corpo humano estão migrando para arquiteturas mais suaves e se beneficiando disso. Alguns pesquisadores também começaram a estudar o uso de sistemas robóticos suaves para ajudar a reposicionar pacientes confinados a uma cama por longos períodos de tempo para tentar evitar pressionar certas áreas.”

Outras áreas de uso potencial para a robótica leve são a agricultura (por exemplo, colheita de frutas ou vegetais que são frágeis ou que se machucam facilmente), ajuda humanitária (operações de busca e resgate em áreas impactadas com acesso limitado ou difícil) e pesquisa (coleta ou manipulação de amostras).

“Este estudo fornece uma estrutura que pode expandir o espaço de design para fabricação com elastômeros termicamente curados para criar estruturas complexas que exibem alta elasticidade, que podem ser usadas para desenvolver dispositivos médicos, amortecedores e robôs macios”, disse Yap.

As propriedades exclusivas dos elastômeros de silicone – biocompatibilidade, flexibilidade, resistência térmica, absorção de choque, isolamento e muito mais – continuarão a ser um ativo em uma série de indústrias, e a pesquisa atual pode ajudar a expandir e melhorar seu uso além das capacidades atuais.