Fibras escaláveis ​​com propriedades de emissão de luz, autocura e magnéticas podem melhorar as interações entre humanos e robôs

Uma equipe desenvolveu fibras flexíveis com propriedades autocurativas, emissoras de luz e magnéticas. A fibra eletroluminescente de núcleo de níquel ionotrônico (SHINE) revestida de hidrogel escalável é dobrável, emite luz altamente visível e pode se reparar automaticamente após ser cortada, recuperando quase 100% de seu brilho original. Além disso, a fibra pode ser alimentada sem fio e manipulada fisicamente por meio de forças magnéticas.

Com vários recursos úteis incorporados em um único dispositivo, a fibra encontra aplicações potenciais como fibras robóticas macias emissoras de luz e displays interativos. Também pode ser tecido em têxteis inteligentes.

A pesquisa da equipe foi publicada em Comunicações da Natureza em 3 de dezembro de 2024. Os pesquisadores incluem cientistas interdisciplinares do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Faculdade de Design e Engenharia da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) que colaboraram com o Instituto de Inovação e Tecnologia em Saúde (iHealthtech) da NUS.

“A maior parte da informação digital hoje é transmitida em grande parte através de dispositivos emissores de luz. Estamos muito interessados ​​em desenvolver materiais sustentáveis ​​que possam emitir luz e explorar novos fatores de forma, como fibras, que possam ampliar cenários de aplicação, por exemplo, têxteis inteligentes. projetar dispositivos emissores de luz sustentáveis ​​é torná-los autocuráveis, assim como tecidos biológicos como a pele”, disse o professor associado Benjamin Tee, pesquisador principal deste estudo.

Inovação multifuncional em um único dispositivo

As fibras emissoras de luz tornaram-se uma área de interesse crescente devido ao seu potencial para complementar as tecnologias existentes em vários domínios, incluindo a robótica suave, a eletrónica vestível e os têxteis inteligentes. Por exemplo, fornecer funcionalidades como iluminação dinâmica, displays interativos e sinalização óptica, ao mesmo tempo que oferece flexibilidade e adaptabilidade, poderia melhorar as interações homem-robô, tornando-as mais responsivas e intuitivas.

No entanto, o uso de tais fibras é muitas vezes limitado pela fragilidade física e pela dificuldade de integrar múltiplas características num único dispositivo sem adicionar complexidade ou aumentar as exigências de energia.

A fibra SHINE da equipe de pesquisa da NUS aborda esses desafios combinando emissão de luz, autocura e atuação magnética em um único dispositivo escalável. Em contraste com as fibras emissoras de luz existentes no mercado, que não podem ser auto-reparadas após danos ou serem manipuladas fisicamente, a fibra SHINE oferece uma alternativa mais eficiente, durável e versátil.

A fibra é baseada em um design coaxial que combina um núcleo de níquel para capacidade de resposta magnética, uma camada eletroluminescente à base de sulfeto de zinco para emissão de luz e um eletrodo de hidrogel para transparência. Usando um processo escalonável de gelificação induzida por íons, a equipe fabricou fibras de até 5,5 metros de comprimento que mantiveram a funcionalidade mesmo depois de quase um ano de armazenamento ao ar livre.

“Para garantir visibilidade clara em condições de iluminação interna intensa, uma luminância de pelo menos 300 a 500 cd/m² é normalmente recomendado”, disse Assoc Prof Tee. “Nossa fibra SHINE tem uma luminância recorde de 1.068 cd/m²excedendo confortavelmente o limite, tornando-o altamente visível mesmo em ambientes internos bem iluminados.”

A camada de hidrogel da fibra se autocura através da reforma da ligação química sob condições ambientais, enquanto o núcleo de níquel e a camada eletroluminescente restauram a integridade estrutural e funcional através de interações dipolo induzidas pelo calor a 50 graus Celsius.

“Mais importante ainda, o processo de recuperação restaura mais de 98% do brilho original da fibra, garantindo que ela possa suportar tensões mecânicas pós-reparo”, acrescentou Assoc Prof Tee. “Esta capacidade apoia a reutilização de fibras danificadas e posteriormente auto-reparáveis, tornando a invenção muito mais sustentável a longo prazo”.

A fibra SHINE também possui atuação magnética possibilitada por seu núcleo de níquel. Esta propriedade permite que a fibra seja manipulada com ímãs externos.

“Esta é uma propriedade interessante, pois permite aplicações como fibras robóticas macias emissoras de luz, capazes de manobrar espaços apertados, realizar movimentos complicados e sinalizar opticamente em tempo real”, disse o Dr. Fu Xuemei, o primeiro autor do artigo.

Desvendando novas interações humano-robô

A fibra SHINE pode ser tricotada ou tecida em tecidos inteligentes que emitem luz e se autocuram facilmente após serem cortados, adicionando um elemento de durabilidade e funcionalidade à tecnologia vestível.

Com sua atuação magnética intrínseca, a própria fibra também pode funcionar como um robô macio, capaz de emitir luz, se autocurar, navegar em espaços confinados e sinalizar opticamente mesmo após ser completamente cortada. Além disso, a fibra pode ser utilizada em displays interativos, onde seu magnetismo permite mudanças dinâmicas de padrões que facilitam a interação óptica e a sinalização no escuro.

Olhando para o futuro, a equipe planeja refinar a precisão da atuação magnética da fibra para suportar aplicações robóticas mais hábeis. Eles também estão explorando a possibilidade de tecer capacidades de detecção – como a capacidade de detectar temperatura e umidade – em têxteis emissores de luz feitos inteiramente de fibras SHINE.