Estarão as ‘máquinas suaves’ que mudam de forma no nosso futuro? Cientistas desenvolvem material responsivo à luz

Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore desenvolveram um novo tipo de material macio que pode mudar de forma em resposta à luz, uma descoberta que poderia promover “máquinas leves” para uma variedade de campos, da robótica à medicina.

O novo material denominado elastômero de cristal líquido (LCE), é feito pela incorporação de cristais líquidos na estrutura molecular de um material extensível. Adicionando nanobastões de ouro ao material LCE, cientistas e engenheiros criaram tintas fotorresponsivas e estruturas impressas em 3D que poderiam dobrar, rastejar e se mover quando expostas a um laser que causa aquecimento localizado no material.

Conforme descrito em seu artigo publicado na revista Matéria, a equipe do LLNL, juntamente com seus colaboradores da Universidade de Harvard, da Universidade Estadual da Carolina do Norte e da Universidade da Pensilvânia, usaram uma técnica direta de impressão por escrita com tinta para construir uma variedade de objetos sensíveis à luz, incluindo cilindros que podiam rolar, “rastreadores” assimétricos ” que poderia avançar e estruturas treliçadas que oscilavam. Ao combinar a transformação da forma com a fotorresponsividade, os pesquisadores disseram que o novo tipo de material pode mudar a maneira como as pessoas pensam sobre máquinas e materiais.

“No LLNL, há algum tempo nos concentramos no desenvolvimento de materiais e arquiteturas estáticas”, disse a pesquisadora principal Caitlyn Krikorian (Cook).

“Criamos esses tipos complexos de estruturas, como redes hierárquicas, e até começamos a explorar materiais mais responsivos, como polímeros com memória de forma, que têm uma resposta única de memória de forma. Mas o laboratório realmente não se aprofundou nisso. criando arquiteturas que podem passar de um tipo de mudança de forma 3D para 3D. Este projeto está começando a mostrar como a arquitetura e esses novos materiais podem ter modos de atuação únicos que não pesquisamos antes.”

Os pesquisadores disseram que o novo material poderia ser usado para criar uma “máquina macia” – um tipo de máquina feita a partir desses materiais compósitos LCE flexíveis – capaz de responder a estímulos externos e até mesmo imitar os movimentos e comportamentos dos organismos vivos.

Robôs macios feitos de material que muda de forma podem rastejar, nadar ou voar e explorar ambientes que são muito difíceis ou perigosos para os humanos acessarem, como cavernas ou o espaço sideral. Máquinas macias também podem ser usadas em aplicações médicas, como dispositivos implantáveis ​​que podem se adaptar aos movimentos do corpo, ou membros protéticos que se movem como membros naturais, e outras aplicações que não são possíveis com máquinas feitas de materiais rígidos, como metal ou plástico. .

“Robôs rígidos talvez não sejam ideais para a interação humana, por isso precisamos de sistemas e materiais que sejam mais compatíveis”, disse o autor principal do artigo, Michael Ford, que começou a trabalhar em materiais responsivos enquanto fazia pós-doutorado na Universidade Carnegie Mellon.

“Você começa com os componentes que compõem nossos robôs, e um desses componentes é um atuador. É aí que entram esses materiais; eles poderiam ser potencialmente um atuador. Isso reduz a complexidade computacional; você está fazendo um material que se livra de bordo eletrônicos e substituí-los por um único material que pode fazer todas essas coisas. Isso permitirá que você coloque mais complexidade computacional em outro componente ou direcione energia para outros sensores que você não seria capaz de fazer com materiais rígidos tradicionais. “

Os pesquisadores disseram que o movimento do material LCE é impulsionado principalmente por um processo conhecido como atuação fototérmica, que envolve a conversão de energia luminosa em energia térmica, resultando em uma resposta mecânica do material. Impulsionado pela interação entre luz, nanobastões de ouro e a matriz LCE, o processo permite que as estruturas impressas exibam movimentos dinâmicos e reversíveis em resposta a estímulos externos.

“Quando você tem esse material compósito – neste caso, esses nanobastões de ouro nesses elastômeros de cristal líquido – ele tem um efeito fototérmico”, explicou Cook.

“Com [infrared] luz, cria um efeito de aquecimento, que faz com que as moléculas alinhadas fiquem desalinhadas. Durante esse processo de desalinhamento, se houver aquecimento uniforme, você terá uma mudança global de forma. Mas, neste caso, podemos ter uma mudança de calor localizada, que é a forma como podemos fazer com que essas regiões localizadas de forma se transformem para fazer coisas como a locomoção.”

No estudo, os pesquisadores usaram um sistema de visão computacional envolvendo câmeras e software de rastreamento para controlar o movimento de um cilindro impresso. O sistema de rastreamento monitorou a posição do cilindro rolante e ajustou continuamente a posição do laser para rasterizar a borda do cilindro. Este rastreamento e ajuste contínuos permitiram que o cilindro mantivesse seu movimento de rolamento de maneira controlada.

Ao aproveitar a visão computacional com a atuação fototérmica do cilindro, os pesquisadores alcançaram um nível sofisticado de manipulação do movimento da máquina soft, mostrando o potencial para sistemas de controle avançados no campo da robótica soft e das máquinas soft. A equipe também mostrou que a capacidade de resposta poderia ser controlada para que as máquinas leves pudessem realizar tarefas úteis, como um cilindro em movimento carregando um fio.

“[Lead author Ford] fez um trabalho incrível ao usar a visão computacional para controlar a locomoção do cilindro impresso e usar um laser raster para forçá-lo a se mover”, disse a coautora Elaine Lee.

“Mas uma vez que você começa a entrar em movimentos muito mais complexos – como usar várias velocidades de varredura e intensidades de luz em uma rede impressa, fazendo com que ela se mova em vários modos diferentes – isso estava realmente fora do que nossas simulações de computação de alto desempenho (HPC) fomos capazes de prever, porque esses códigos esperam aquecimento ou estímulos uniformes naquela rede.”

“Portanto, usar a visão computacional e o aprendizado de máquina para aprender as velocidades de atuação e quais doses de luz podem causar a locomoção dessa arquitetura impressa nos levará muito mais longe na compreensão de como nossos materiais responderão.”

Os pesquisadores disseram que ainda existem alguns desafios que precisam ser superados antes que o material possa ser usado em aplicações práticas. A equipe descobriu que as estruturas criadas poderiam virar ou exibir outros movimentos imprevisíveis, dificultando assim o projeto de modos específicos de movimento.

Eles disseram que continuarão a trabalhar em modelos que possam descrever o movimento complexo para projetar melhor máquinas futuras e desenvolver novos materiais e técnicas de fabricação para criar máquinas leves que sejam mais duráveis, confiáveis ​​e eficientes para uma variedade de aplicações. Novos sistemas de controlo e algoritmos informáticos também poderão permitir que máquinas leves se movam e interajam com o seu ambiente de uma forma mais inteligente e autónoma, disseram.

Cook disse que a equipe está procurando incorporar respostas a diferentes tipos de estímulos, além dos estímulos térmicos e luminosos, em áreas como umidade e absorção de energia e condições que o material pode experimentar no espaço. Ela acrescentou que a equipe está pensando em iniciar uma nova Iniciativa Estratégica no Laboratório para focar em materiais autônomos e “mover a agulha” em direção a materiais sencientes.

“Estamos todos pensando em maneiras de tornar os materiais mais autônomos e sencientes, capazes de sentir, responder, ser programados, aprender, decidir e se comunicar”, disse Cook.

“Esses elastômeros de cristal líquido são materiais responsivos – eles são capazes de sentir estímulos e responder, e responderão repetidamente todas as vezes – mas não têm um senso de memória ou uma maneira de aprender os estímulos repetidos e responder de acordo. É ainda não tem meios de comunicação além de ser potencialmente capaz de combiná-lo com algum tipo de computação mecânica. Esses são realmente os materiais pelos quais estamos nos esforçando, e isso pode levar de cinco a 10 anos de esforço .”