Desenvolvimento de materiais sensores macios e inteligentes baseados em partículas cerâmicas

A maioria das pessoas pensa em xícaras de café, azulejos de banheiro ou vasos de flores quando ouve a palavra “cerâmica”. Não é assim com Frank Clemens. Para o líder do grupo de pesquisa do Laboratório de Cerâmica de Alto Desempenho da Empa, a cerâmica pode conduzir eletricidade, ser inteligente e até sentir.

Juntamente com sua equipe, Clemens está desenvolvendo materiais para sensores macios baseados em cerâmica. Esses sensores podem “sentir” temperatura, tensão, pressão ou umidade, por exemplo, o que os torna interessantes para uso na medicina, mas também no campo da robótica suave. Este trabalho foi publicado na revista Sistemas Inteligentes Avançados.

Cerâmica macia – como isso deve funcionar? Cientistas de materiais como Clemens definem a cerâmica como um material inorgânico e não metálico produzido a partir de uma coleção de partículas soltas em um processo de alta temperatura conhecido como sinterização.

A composição da cerâmica pode variar – e como resultado, suas propriedades mudam. Mas cerâmica e porcelana não são vistas em lugar nenhum no laboratório de Clemens. Os pesquisadores trabalham com materiais como niobato de sódio e potássio e óxido de zinco, mas também com partículas de carbono.

Nenhum desses materiais é macio. Para transformá-los em sensores flexíveis, os pesquisadores incorporaram partículas cerâmicas em plásticos elásticos.

“Trabalhamos com os chamados sistemas altamente preenchidos”, diz Clemens. “Pegamos uma matriz feita de termoplástico e a preenchemos com o máximo possível de partículas cerâmicas, sem comprometer a elasticidade da matriz”.

Se esta matriz altamente preenchida for esticada, comprimida ou exposta a flutuações de temperatura, a distância entre as partículas cerâmicas muda e, com ela, a condutividade elétrica do sensor. Não é necessário preencher toda a matriz com cerâmica, enfatiza Clemens: Usando a impressão 3D, os pesquisadores também podem incorporar os sensores cerâmicos como uma espécie de “nervos” em componentes flexíveis.

Seletivo e inteligente

A produção de sensores cerâmicos macios não é trivial. Normalmente, os sensores suaves são sensíveis a diferentes influências ambientais ao mesmo tempo, como temperatura, tensão e umidade. “Se quiser usá-los na prática, você precisa saber o que está medindo”, diz Clemens. Seu grupo de pesquisa conseguiu produzir sensores suaves que reagem de forma muito seletiva apenas à pressão ou apenas à temperatura.

Os pesquisadores integraram esses sensores em uma mão protética. A prótese “sente” a flexão dos dedos e percebe quando toca uma superfície quente. Tal “sensibilidade” seria uma vantagem tanto para ferramentas de preensão robóticas como para próteses humanas.

A equipe da Empa deu um passo além com o desenvolvimento de uma “pele de robô” macia. Semelhante à pele humana, a pele plástica multicamadas reage ao toque e às diferenças de temperatura.

Para avaliar os dados complexos, os investigadores da Empa desenvolveram um modelo de IA em conjunto com investigadores da Universidade de Cambridge e treinaram-no utilizando dados de cerca de 4.500 medições. Isto também lembra a percepção humana, já que os impulsos nervosos da nossa pele são avaliados e extrapolados no cérebro.

Em seu projeto mais recente, os pesquisadores conseguiram combinar sensores cerâmicos com músculos artificiais. Juntamente com pesquisadores da ETH Zurique e da Universidade de Tóquio, eles desenvolveram um robô bio-híbrido que reconhece seu estado de contração com a ajuda de um sensor piezoresistivo macio, biocompatível e integrado ao tecido.

Colaboração segura entre humanos e máquinas

O objetivo, diz Frank Clemens, é que humanos e máquinas trabalhem juntos de forma segura e harmoniosa. “Os sistemas robóticos atuais são grandes, desajeitados e muito fortes. Podem ser perigosos para os humanos”, explica o pesquisador. Se no futuro quisermos partilhar cada vez mais os nossos locais de trabalho com robôs, estes deverão reagir de forma rápida e sensível ao toque.

“Se você tocar acidentalmente em outra pessoa, você se afastará automaticamente”, diz Clemens. “Queremos dar aos robôs o mesmo reflexo.”

Os investigadores procuram agora parceiros industriais na área dos sistemas robóticos de preensão. Mas os sensores suaves também são procurados na medicina – a equipe concluiu recentemente um projeto Innosuisse com a empresa IDUN Technologies, no qual produziram eletrodos flexíveis para medições de ondas cerebrais.

O trabalho está longe de terminar: os pesquisadores querem tornar seus sensores de cerâmica macia ainda mais sensíveis e inteligentes. Isso envolve a combinação de novos materiais cerâmicos e polímeros macios e a otimização das propriedades de seus sensores. O segredo do sucesso está na interação desses dois componentes.