Desenvolvimento de atuadores de materiais moles impressos em 3D que podem imitar músculos reais

Os pesquisadores da EMPA estão trabalhando na produção de músculos artificiais que podem acompanhar a coisa real. Eles agora desenvolveram um método de produzir as estruturas macias e elásticas, porém poderosas, usando a impressão 3D.

Um dia, eles podem ser usados ​​em medicina ou robótica – e em qualquer outro lugar onde as coisas precisam se mover com o toque de um botão. O trabalho é publicado na revista Tecnologias de Materiais Avançados.

Os músculos artificiais não apenas se movem os robôs: um dia, eles poderiam apoiar as pessoas no trabalho ou quando caminharem ou substituir o tecido muscular ferido. No entanto, o desenvolvimento de músculos artificiais que podem comparar com a coisa real é um grande desafio técnico.

Para acompanhar seus colegas biológicos, os músculos artificiais devem não apenas ser poderosos, mas também elásticos e macios. Na sua essência, os músculos artificiais são os chamados atuadores: componentes que convertem impulsos elétricos em movimento. Os atuadores são usados ​​onde quer que algo se mova com o empurrão de um botão, seja em casa, em um motor de carro ou em plantas industriais altamente desenvolvidas. No entanto, esses componentes mecânicos difíceis ainda não têm muito em comum com os músculos.

Reconciliando contradições

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório de Polímeros Funcionais da EMPA está trabalhando em atuadores feitos de materiais suaves. Agora, pela primeira vez, eles desenvolveram um método para produzir componentes tão complexos usando uma impressora 3D.

Os atuadores elásticos dielétricos (DEA) consistem em dois materiais diferentes à base de silicone: um material do eletrodo condutor e um dielétrico não condutor. Esses materiais intertravam em camadas. “É um pouco como entrelaçar os dedos”, explica o pesquisador da EMPA Patrick Danner. Se uma tensão elétrica for aplicada aos eletrodos, o atuador se contrai como um músculo. Quando a tensão é desligada, ela relaxa para sua posição original.

A impressão 3D dessa estrutura não é trivial, Danner sabe. Apesar de suas propriedades elétricas muito diferentes, os dois materiais macios devem se comportar de maneira muito semelhante durante o processo de impressão. Eles não devem se misturar, mas ainda devem se manter unidos no atuador acabado.

Os “músculos” impressos devem ser o mais macios possível, para que um estímulo elétrico possa causar a deformação necessária. Além disso, estão os requisitos que todos os materiais imprimíveis em 3D devem atender: eles devem 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 manter a forma impressa.

“Essas propriedades geralmente estão em contradição direta”, diz Danner. “Se você otimizar um deles, outros três mudam … geralmente para pior”.

De uma luva VR a um coração batendo

Em colaboração com pesquisadores da ETH Zurique, Danner e Dorina Opris, que lidera o grupo de pesquisa materiais poliméricos funcionais, conseguiram reconciliar muitas dessas propriedades contraditórias. Duas tintas especiais, desenvolvidas na EMPA, são impressas em atuadores suaves em funcionamento, usando um bico desenvolvido pelos pesquisadores da ETH Tazio Pleij e Jan Vermant.

A colaboração faz parte do projeto em larga escala Manufatics, que faz parte da fabricação avançada da área estratégica do domínio ETH. O objetivo do projeto é desenvolver uma luva que torne os mundos virtuais tangíveis. Os músculos artificiais são projetados para simular a preensão dos objetos através da resistência.

No entanto, existem muito mais aplicações em potencial para atuadores suaves. Eles são leves, silenciosos e, graças ao novo processo de impressão 3D, podem ser moldados conforme necessário. Eles poderiam substituir atuadores convencionais em carros, máquinas e robótica. Se forem desenvolvidos ainda mais, também poderiam ser usados ​​para aplicações médicas.

Opris e Danner já estão trabalhando nisso. Seu novo processo pode ser usado para imprimir não apenas formas complexas, mas também fibras elásticas longas. “Se conseguirmos torná -los um pouco mais magros, podemos chegar bem perto de como as fibras musculares reais funcionam”, diz Opris. O pesquisador acredita que, no futuro, pode ser possível imprimir um coração inteiro dessas fibras. No entanto, ainda há muito o que fazer antes que esse sonho se torne realidade.