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Reportagem

Músculos Artificiais

Novos dispositivos geradores de movimento - atuadores, motores, geradores - baseados em polímeros que mudam de forma quando estimulados eletricamente estão perto de ser comercializados.

Steven Ashley
FLEX, O ROBÔ SEMELHANTE A UM INSETO,
caminha com pernas movidas por músculos artificiais
É apenas um brinquedo de US$ 100 - um aquário de peixes robóticos desenvolvido pela japonesa Eamex. O extraordinário é que os peixes de cores vibrantes que se movem na água, numa imitação razoável de um ser vivo, são desprovidos de partes mecânicas - não há motores, eixos de acionamento, engrenagens ou mesmo bateria. Os peixes nadam porque suas entranhas de plástico se flexionam para a frente e para trás, aparentemente por vontade própria. São os primeiros produtos comerciais fabricados utilizando uma nova geração de polímeros eletroativos incrementados (EAPs, na sigla em inglês), plásticos que se movimentam em resposta à eletricidade.

Durante décadas, os engenheiros que constroem atuadores, ou dispositivos geradores de movimento, buscaram um equivalente artificial dos músculos. Simplesmente alterando seu comprimento em resposta a estímulos nervosos, os músculos são capazes de exercer quantidades controladas de força suficiente para piscar os olhos ou praticar levantamento de peso. Os músculos também têm a propriedade da invariância de escala: seu mecanismo funciona com a mesma eficácia para todos os tamanhos, razão pela qual basicamente o mesmo tecido muscular dá força tanto a insetos quanto a elefantes. Assim, algo semelhante à força muscular pode ser útil para acionar dispositivos para os quais não é fácil construir motores elétricos minúsculos.

Os EAPs contêm a promessa de se tornarem os músculos artificiais do futuro. Os pesquisadores já estão trabalhando ambiciosamente em alternativas baseadas nessa geração de polímeros para muitas tecnologias atuais. E eles não têm medo de confrontar as criações da Natureza com suas próprias. Muitos anos atrás, Yoseph Bar-Cohen, do Jet Propulsion Laboratory-JPL, em Pasadena, Califórnia, lançou um desafio à comunidade pesquisadora de polímeros eletroativos para aumentar o interesse pela área. O desafio transformou-se em uma iniciativa visando oferecer um prêmio em dinheiro ao primeiro grupo que construísse um braço robótico movido por EAP e capaz de derrotar um humano numa queda-de-braço.

Talvez a mais promissora das iniciativas atuais em EAP seja a do SRI International, laboratório de pesquisas que atua sob contrato e sem fins lucrativos, sediado em Menlo Park, Califórnia. Em poucos meses, a direção do SRI pretende obter o financiamento inicial de US$ 4 milhões a US$ 6 milhões necessário para abrir uma empresa e comercializar a tecnologia EAP patenteada pelo próprio laboratório. Desde já, o SRI está trabalhando em função de meia dúzia de contratos de P&D com o governo norte-americano e com empresas nos setores de brinquedos, automóveis, eletrônica, produtos médicos e calçados para trazer os músculos artificiais ao mercado.
MEMBRO ROBÓTICO guiado por atuadores de polímeros eletroativos poderá no futuro enfrentar o braço de um humano numa disputa de queda-de-braço
O objetivo da nova empresa? Substituir uma parcela substancial dos motores elétricos que utilizamos regularmente, sem mencionar mecanismos comuns geradores de movimento, por produtos menores, mais leves e mais baratos, baseados nos atuadores do SRI. "Acreditamos que essa tecnologia tem uma boa chance de revolucionar o campo da atuação mecânica", afirma Phillip von Guggenberg, diretor de desenvolvimento comercial do laboratório. "Gostaríamos de difundir a tecnologia, transformá-la no tipo de coisa que se pode comprar em lojas de ferramentas."

Bar-Cohen é o coordenador não-oficial da comunidade internacional altamente diversificada de pesquisadores de EAP desde meados da década de 90. No início, "os materiais polímeros eletroativos sobre os quais eu lia em publicações científicas não funcionavam conforme anunciado", lembra ele, rindo maliciosamente. "E como eu já havia obtido financiamento da Nasa para estudar a tecnologia, fui obrigado a buscar quem estava trabalhando nessa área para aprender algo a respeito." Em poucos anos Bar-Cohen aprendeu o bastante para ajudar a organizar a primeira conferência científica sobre o assunto, começar a publicar um boletim sobre os EAPs, criar um site sobre essa geração de polímeros e editar dois livros sobre a nova tecnologia.

Sentado em meio a fileiras de protótipos de dispositivos de atuação e aparelhos para testes em um edifício no campus da JPL, Bar-Cohen recorda a história dessa área. "Durante muito tempo as pessoas buscaram maneiras de mover objetos sem empregar motores elétricos, e grandes demais para muitas aplicações. Até o desenvolvimento dos EAPs, a tecnologia padrão para substituí-los eram cerâmicas piezoelétricas, que já existiam havia algum tempo." Nos materiais piezoelétricos, tensões mecânicas fazem com que os cristais se polarizem eletricamente, e vice-versa. Quando submetidos a corrente elétrica, deformam-se; quando deformados, geram eletricidade.

Bar-Cohen pega um pequeno disco cinza de uma das bancadas e explica: "Este aqui é feito de PZT, ou titanato zirconato de chumbo piezoelétrico. A corrente elétrica faz o PZT piezoelétrico encolher e se expandir em uma fração percentual de seu comprimento total. Não é muito movimento, mas útil, mesmo assim".
Numa sala contígua, o pesquisador mostra com orgulho furadeiras de impacto com brocas de 30 cm de comprimento acionadas por discos de PZT, que ele está construindo com seus colegas do JPL e da Cybersonics. "Dentro deste cilindro há uma pilha de discos piezoelétricos. Quando ativada por uma corrente alternada, a pilha \\`martela\\` ultrassonicamente uma massa que salta para cima e para baixo em alta freqüência, fazendo com que uma broca penetre rochas sólidas."

É uma demonstração notável da eficácia com que as piezocerâmicas podem funcionar como atuadores. Mas muitas aplicações exigiriam materiais eletroativos cujo tamanho varia em mais que uma fração percentual.

Essa película plástica formada por camadas serve como base para uma ampla gama de novos dispositivos atuadores, sensores e geradores de energia.
Os elastômeros dielétricos, que podem crescer em até 400% de seu tamanho quando não ativados, não são, absolutamente, o único tipo de material ou dispositivo eletroativo, embora estejam entre os exemplos mais eficazes.

O gráfico à direita compara o desempenho de diversas classes de materiais/dispositivos de atuação. Entre eles há produtos geradores de movimento bem estabelecidos acionados por correntes elétricas, assim como por campos eletrostáticos e eletromagnéticos aplicados. A deformação refere-se à quantidade de deslocamento por unidade de comprimento que eles são capazes de produzir, enquanto a pressão/densidade de atuação é uma medida da força que produzem. Os elastômeros dielétricos são capazes de gerar mais deformação
e força que muitas das tecnologias concorrentes. Note que suas propriedades, sob esse aspecto, se assemelham àquelas dos músculos naturais de animais ? daí a designação ?músculos artificiais?.

Polímeros que mudam de forma em resposta a eletricidade, segundo Bar-Cohen, podem ser classificados em dois grupos: iônicos e eletrônicos, cada um deles com vantagens e desvantagens complementares.
Os EAPs iônicos (que incluem polímeros iônicos na forma de gel, compósitos ionoméricos de metal-polímero, polímeros condutores e nanotubos de carbono) funcionam com base em eletroquímica - a mobilidade ou difusão de íons carregados. Eles podem funcionar ligados diretamente a pilhas elétricas porque mesmo pequenas voltagens fazem com que se curvem. O problema é que eles geralmente precisam estar molhados, portanto têm de ser selados no interior de revestimentos flexíveis. Outra grande desvantagem de muitos EAPs iônicos (especialmente os compósitos ionoméricos de metal-polímero) é o fato de que "enquanto estiverem submetidos a tensão elétrica, o material continuará em movimento", salienta Bar-Cohen. "Se a voltagem estiver acima de um certo nível ocorre eletrólise, e haverá dano irreversível ao material", alerta.

Em contraste, os EAPs eletrônicos (como polímeros ferroelétricos, eletretos, elastômetros dielétricos e elastômeros electrostritivos produzidos por enxerto) são acionados por campos elétricos. Eles exigem voltagens relativamente altas, que podem causar choques elétricos desconfortáveis. Mas, em compensação, os EAPs eletrônicos são capazes de reagir rapidamente e gerar forças mecânicas vigorosas. Eles não precisam de um revestimento protetor e requerem uma corrente quase nula para se manter em determinada posição. O material usado pelo SRI para construir músculos artificiais se enquadra nesta categoria.

Borracha Elétrica

"O SRI INTERNACIONAL iniciou seu trabalho com músculos artificiais em 1992, contratado pelo programa japonês de micro-máquinas", diz Ron Pelrine, um físico que se tornou engenheiro mecânico e líder da equipe do SRI. O governo japonês buscava um novo tipo de tecnologia de micro-atuação. Alguns pesquisadores do SRI começaram a procurar um material gerador de movimento semelhante aos músculos naturais em termos de força, curso (deslocamento linear) e deformação (deslocamento por unidade de comprimento ou de área).

Inúmeras tecnologias de atuação possíveis foram analisadas até que o uso dos polímeros eletroestritivos, uma classe de materiais que vinha sendo investigada por Jerry Scheinbeim, da Rutgers University, fosse cogitado. As moléculas de hidrocarboneto presentes nesses polímeros organizam-se em matrizes semicristalinas com propriedades do tipo piezoelétrico.

Quando expostos a um campo elétrico, todos os plásticos isolantes, como o poliuretano, contraem-se na direção das linhas do campo e se expandem perpendicularmente em relação a elas. Esse fenômeno, diferente da eletroestrição, é denominado Tensor de Maxwell.
Pelrine constatou que polímeros mais macios que o poliuretano se achatam mais sob atração eletrostática, portanto proporcionariam maiores deformações mecânicas. Trabalhando com silicones macios, os cientistas do SRI logo comprovaram deformações bastante aceitáveis, de 10% a 15%. Com mais pesquisas, esses números subiram para 20% a 30%. Para distinguir os novos materiais atuadores, os silicones e outros plásticos mais macios foram batizados com o nome elastômeros dielétricos (ou polímeros atuados por campo elétrico).

À medida que os elastômeros passaram a apresentar deformações maiores, os engenheiros se deram conta de que os eletrodos também teriam de se tornar expansíveis. Eletrodos de metal comuns não podem ser esticados sem se romper. "Antes, as pessoas não tinham de se preocupar com essa questão, porque estavam trabalhando com materiais que proporcionavam deformações de cerca de 1%", explica Pelrine. Posteriormente, a equipe desenvolveu eletrodos dotados de elasticidade, baseados em partículas de carbono em uma matriz elastomérica. "Como os eletrodos se expandem juntamente com o plástico", observa, "eles são capazes de manter o campo elétrico entre si através de toda a região ativa." O SRI International patenteou esse conceito, uma das chaves para as tecnologias de músculos artificiais.

Ansioso para fazer uma demonstração, Pelrine apresenta um objeto semelhante a uma moldura de quadro com 40 cm2, envolto em um filme plástico bem esticado. "Veja, este material polímero é extremamente elástico", diz, apertando a película transparente com um dedo. "Na verdade, trata-se de uma fita adesiva barata de dupla face, vendida em rolos." Em cada um dos dois lados do centro da superfície de plástico, podemos ver os fios que se conectam aos eletrododos negros, do tamanho de uma moeda.

Pelrine gira um botão de controle da fonte de tensão. Instantaneamente, o círculo negro formado pelos pares de eletrodos cresce até atingir o diâmetro de uma moeda de 25 cents. Quando ele gira o botão de volta à posição original, o disco diminui de diâmetro. Ele sorri e repete a seqüência algumas vezes, explicando: "Fundamentalmente, nossos dispositivos são capacitores - duas lâminas paralelas carregadas formando um sanduíche contendo um material dielétrico. Quando ligamos a alimentação, cargas positivas e negativas se acumulam nos eletrodos opostos. Elas se atraem mutuamente e comprimem o polímero isolante, que reage expandindo sua área".
Embora diversos materiais promissores tivessem sido identificados, a obtenção de um desempenho aceitável em dispositivos práticos provou ser um desafio. No entanto, duas descobertas feitas em 1999 despertaram interesse considerável do governo e da indústria. Uma delas surgiu da observação de que o ato de esticar os polímeros antes de ativá-los eletricamente melhorava enormemente seu desempenho. "Começamos a notar que parecia haver um ponto ideal em que obtínhamos um desempenho ótimo", recorda Roy Kornbluh, outro membro da equipe. "Ninguém sabia exatamente o porquê, mas o pré-esticamento dos polímeros aumentava as tensões de ruptura (a resistência à passagem de corrente entre os eletrodos) em até 100 vezes." As deformações causadas pela atuação diminuíam na mesma ordem de grandeza. Embora a razão ainda não esteja clara, o químico Qibing Pei do SRI acredita que "o pré-esticamento orienta as cadeias moleculares ao longo do plano de expansão e também o torna mais rígido nessa direção". Para obter o efeito de pré-esticamento, os dispositivos de atuação do SRI incorporam uma estrutura externa de fixação.

A segunda descoberta chave aconteceu principalmente porque os pesquisadores estavam testando todos os materiais elásticos que podiam encontrar, "algo a que chamamos abordagem edisoniana", diz Pelrine com expressão intrigada. (Thomas Edison testou sistematicamente todo tipo de material que pudesse ser utilizado como filamentos para lâmpadas.) "Na minha casa, tínhamos instalado uma trava de polímero na porta da geladeira para evitar que meu bebê entrasse nela. Depois que ele cresceu eu a retirei. Mas como ela era feita de um material elástico, decidi testar suas propriedades de deformação.

Surpreendentemente, o desempenho foi muito bom." Estudar o material e determinar sua composição exigiu muita deformação, mas no final descobrimos que o misterioso polímero "era um elastômero de acrílico capaz de enormes deformações e geração de energia - chegando a 380% de deformação linear. Esses dois avanços permitiram que começássemos a aplicar os elastômeros dielétricos em dispositivos de atuação com finalidades práticas", orgulha-se o físico.


ATUADORES DE DIAFRAGMAS
ATUADORES DE DIAFRAGMAS são construídos esticando-se películas de elastômero dielétrico sobre uma abertura existente numa estrutura relativamente rígida. Normalmente, o diafragma tem uma predisposição, criada pressionando-o para cima ou para baixo com o emprego de uma mola, de leve pressão do ar, de uma espuma ou outros meios. Essa tendência faz com que o diafragma atue num sentido específico (para cima ou para baixo), em vez de simplesmente enrugar-se aleatoriamente quando é aplicada tensão. Atuadores de diafragmas podem ser usados onde se necessitar de um deslocamento de volume, como em bombas e alto-falantes. Atuadores de diafragmas empregando tecnologias alternativas de acionamento, como materiais piezoelétricos, vêm sendo usados há bastante tempo, mas dispositivos constituídos por diafragmas de elastômeros dielétricos proporcionam maiores deslocamentos. Alguns arranjos, por exemplo, podem ser defletidos de uma posição original plana de modo a assumir forma esférica.
Flexibilidade de visão

A ABORDAGEM GERAL DA EQUIPE DO SRI é flexível, abarcando muitos tipos de projeto e até mesmo diferentes polímeros. De acordo com Pelrine, a equipe é capaz de produzir o efeito de atuação utilizando uma gama de diversos polímeros, entre eles acrílicos e silicones. Mesmo a borracha natural funciona, até certo ponto. Sob as temperaturas extremas do espaço sideral, por exemplo, os músculos artificiais possivelmente funcionariam melhor se feitos de plásticos de silicone, que foram aprovados em testes no vácuo a -100°C. Usos que requerem a produção de forças maiores podem exigir uma quantidade maior de polímero ou o agrupamento de vários dispositivos em série ou em paralelo.

"Como os elastômeros dielétricos podem ser adquiridos no comércio, e dado o fato de que utilizávamos no máximo apenas alguns centímetros quadrados de material para cada dispositivo, os atuadores teriam um custo muito baixo, particularmente na produção em grande escala", estima von Guggenberg.
As voltagens necessárias para ativar os atuadores de elastômeros dielétricos são relativamente altas - tipicamente de 1 a 5 quilovolts -, portanto os dispositivos podem operar com corrente muito baixa (porque em circuitos simples, voltagem e corrente são inversamente proporcionais). Os atuadores também utilizam fios menos espessos, mais baratos e mantêm temperaturas razoavelmente baixas. "Até o ponto em que o campo elétrico sofre um colapso e a corrente flui através da distância entre os eletrodos, voltagens maiores proporcionam maior expansão e maior força", diz Pelrine.

"Alta tensão pode ser um motivo de preocupação", comenta Kornbluh, "mas não é, necessariamente, perigosa. Afinal, luzes fluorescentes e tubos de raios catódicos são dispositivos de alta tensão mas ninguém se preocupa com eles. O problema é mais sério no caso de dispositivos móveis, porque as baterias em geral são de baixa voltagem, portanto seria necessário incluir circuitos adicionais de conversão elétrica." Além disso, na Pennsylvania State University, Qiming Zhang e seu grupo de pesquisa conseguiram reduzir as voltagens de ativação de certos polímeros eletrostritivos combinando-os a outras substâncias para criar compósitos.

Quando indagado sobre a durabilidade dos atuadores de elastômeros dielétricos do SRI, von Guggenberg afirma haver "indícios razoáveis" de que eles continuam a funcionar por um período longo o bastante para uso comercial. "Por exemplo, para um de nossos clientes, pusemos em funcionamento um dispositivo que produz deformações moderadas, de 5% a 10% durante 10 milhões de ciclos." Outro dispositivo gerou deformações de 50% da área em 1 milhão de ciclos.
Criando Produtos

TENDO DESENVOLVIDO UM MECANISMO BÁSICO, a equipe do SRI logo começou a trabalhar em uma enxurrada de novos conceitos de aplicações:
Atuadores lineares: Para fabricar o que eles chamam de rosquinhas de mola, os engenheiros envolvem camadas sucessivas de folhas de elastômero dielétrico laminado protendido em torno de uma mola helicoidal. A tensão na mola suporta a protensão circunferencial, ao passo que a protensão longitudinal da película mantém a mola comprimida. Uma aplicação de tensão elétrica comprime a espessura do filme e o relaxa longitudinalmente, de modo que o dispositivo se distende. As molas, que são um "pacote compacto", podem gerar grandes força e curso. A indústria automotiva mostrou interesse nesses mecanismos como substitutos para os diversos pequenos motores usados em automóveis, como os controles que regulam a posição dos assentos, e nos controles das válvulas em motores de alto desempenho sem uso de virabrequim.

Curvando rosquinhas: Usando a mesma rosquinha de mola básica, os engenheiros podem conectar eletrodos para criar duas ou mais seções acionadas independemente em torno da circunferência. A ativação elétrica de cada uma de suas seções faz com que a lateral da mola se distenda, de modo que a estrutura como um todo se afasta daquele lado. Mecanismos baseados nesse modelo seriam capazes de executar movimentos complicados difíceis de realizar utilizando motores, engrenagens e vínculos mecânicos convencionais. Esses mecanismos poderiam ser usados em cateteres médicos manobráveis e nos chamados "robôs-cobra".

Atuadores puxa-empurra: Pares de películas elastômeras dielétricas podem ser dispostas em uma configuração puxa-empurra, uma atuando contra a outra e, assim, respondendo de maneira mais linear ("uma entrada gera uma saída"). A alternância de tensão de um dispositivo para o outro pode mudar a posição do conjunto inteiro para trás e para a frente; a ativação de ambos os dispositivos deixa o conjunto rígido num "ponto morto". Dessa forma, os atuadores funcionam como o bíceps e o tríceps, que controlam os movimentos do braço humano.

Alto-falantes: Estique uma película de elastômero dielétrico prendendo-a a uma estrutura que contenha uma abertura. Expandindo e contraindo rapidamente de acordo com o sinal de tensão aplicado, o diafragma emitirá som. Essa configuração pode constituir um alto-falante plano leve e barato cujo meio vibratório consiste tanto no acionador quanto no painel gerador de som.
Bombas: O esquema de um diafragma de elastômero dielétrico é análogo ao de um alto-falante, salvo o fato de que os engenheiros incluem uma câmara de fluido e duas válvulas unidirecionais para controlar o fluxo do líquido.
Sensores: Devido a sua natureza semelhante à de elementos piezoelétricos, todos os dispositivos elastômeros dielétricos desenvolvidos no SRI geram um sinal elétrico quando curvados ou esticados. Assim, é possível criar um sensor com apenas um componente. Esses sensores poderiam ser incorporados de forma semelhante a tecidos e outros materiais, como fibras, cintos ou revestimentos.

Texturização de superfícies e superfícies inteligentes: Se os polímeros forem impressos com padrões de eletrodos, matrizes de pontos ou formas diversas poderão ser aplicadas como relevos sob demanda. Essa tecnologia poderia ser usada como um tecido de camuflagem ativa capaz de alterar sua refletância ou como um mecanismo para formar "bolhas" que melhoram as características aerodinâmicas de arrasto das asas de um avião (ver ilustração ao lado)

Geradores de energia: Novamente, uma vez que esses materiais produzem eletricidade quando são deformados, geradores de energia de capacitância variável e "colheitadeiras de energia" podem ser construídos com base neles. A Darpa e o exército norte-americano financiaram o desenvolvimento de um gerador de acionamento pelos calcanhares, ou seja, uma fonte portátil de energia que poderia ser utilizada por soldados para fornecer energia a dispositivos eletrônicos, substituindo as baterias. Uma pessoa de estatura mediana caminhando a um passo por segundo é capaz de gerar cerca de 1 watt de potência utilizando dispositivos em desenvolvimento (ver ilustração acima). Os dispositivos poderiam ser presos de forma semelhante à fixação de alças em mochilas ou de peças de suspensão em automóveis. Em princípio, essa abordagem poderia ser aplicada em geradores de ondas ou em dispositivos movidos a energia eólica.

Recentemente, pesquisadores do SRI testaram um conceito mais radical - os "motores de polímeros". O combustível propano foi queimado dentro de uma câmara, e a pressão exercida pelos produtos resultantes da combustão distorceu um diafragma de elastômero dielétrico, gerando eletricidade. Esses modelos podem, no futuro, dar origem a geradores eficientes, extremamente pequenos, de tamanho igual ou inferior a 1 cm.
Mas os produtos verdadeiramente comercializáveis ainda estão por vir. "No momento, estamos construindo dispositivos completos para que engenheiros possam brincar e se acostumar com a tecnologia", observa von Guggenberg. "É sempre difícil introduzir um conceito totalmente novo."

Ainda assim, Bar-Cohen afirma estar impressionado com o progresso obtido pelo grupo do SRI em suas tecnologias de atuação. Mas o sucesso também lhe trouxe problemas sob um aspecto: o antigo desafio da queda-de-braço, que ninguém, ainda, venceu. "Minha expectativa era de que levaria cerca de 20 anos até que alguém desenvolvesse um braço mecânico forte o bastante para competir com um humano", brinca. "Agora, o SRI se diz pronto para construí-lo, e nós ainda não arrecadamos o dinheiro para o prêmio!"

Como a eletricidade faz um plástico se expandir

O MECANISMO FUNDAMENTAL dos novos músculos artificiais geradores de movimento é relativamente simples. Quando expostos a campos elétricos de alta tensão, muitos elastômeros dielétricos (uma classe de materiais plásticos eletroativos isolantes) ?, como silicones e acrílicos ? contraem-se na direção das linhas do campo elétrico e expandem-se perpendicularmente em relação a elas, fenômeno a que os físicos chamam Tensor de Maxwell. Os novos dispositivos consistem basicamente em capacitores com as características da borracha ? duas placas paralelas eletricamente carregadas. Quando a tensão é aplicada, cargas positivas e negativas acumulam-se nos eletrodos opostos. Eles se atraem, e assim comprimem o isolador de polímero, que reage expandindo sua área. Os engenheiros laminam películas delgadas de elastômeros
dielétricos (normalmente com 30 a 60 mícrons de espessura) nas partes dianteira e traseira com partículas de carbono condutoras suspensas em uma matriz de polímero macio. Quando conectadas a uma fonte de energia por meio de fios, as camadas de carbono atuam como eletrodos elásticos que expandem sua área juntamente com o material contido entre as camadas desse ?sanduíche?. Essa película plástica formada por camadas serve como base para uma ampla gama de novos dispositivos atuadores, sensores e geradores de energia.
Os elastômeros dielétricos, que podem crescer em até 400% de seu tamanho quando não ativados, não são, absolutamente, o único tipo de material ou dispositivo eletroativo, embora estejam entre os exemplos mais eficazes.
O gráfico à direita compara o desempenho de diversas classes de materiais/dispositivos de atuação. Entre eles há produtos geradores de movimento bem estabelecidos acionados por correntes elétricas, assim como por campos eletrostáticos e eletromagnéticos aplicados. A deformação refere-se à quantidade de deslocamento por unidade de comprimento que eles são capazes de produzir, enquanto a pressão/densidade de atuação é uma medida da força que produzem. Os elastômeros dielétricos são capazes de gerar mais deformação
e força que muitas das tecnologias concorrentes. Note que suas propriedades, sob esse aspecto, se assemelham àquelas dos músculos naturais de animais ? daí a designação ?músculos artificiais?.

Molas helicoidais, cobras e braços robóticos

POLÍMEROS que se expandem em resposta à eletricidade abrem espaço para atuadores que se estendem ? ou se curvam ? sob comando. Os engenheiros inicialmente enrolam duas camadas de folhas de elastômero dielétrico (laminadas em ambas as faces com eletrodos flexíveis) formando cilindros compactos. Freqüentemente, os materiais em forma de película são enrolados em torno de uma mola helicoidal tensionada que exerce uma elevada protensão circunferencial sobre as películas, incrementando, assim, o desempenho do dispositivo. As molas helicoidais podem servir para diversas aplicações, como atuadores para mecanismos robóticos e protéticos, válvulas e bombas, e onde quer que se necessite de movimento linear simples. Até hoje, já foram desenvolvidas molas atuadoras capazes de aplicar força de até 30 newtons (cerca de 3 kg), deslocamentos lineares (deformações)de até 2 cm e freqüências superiores a 50 hertz. Para aumentar o efeito mecânico, o dispositivo pode ser construído em escalas maiores, ou diversos atuadores podem ser montados em série ou em paralelo. Modificações relativamente simples implementadas às molas atuadoras que se distendem podem produzir dispositivos que se curvam quando acionados. Usando um spray, os pesquisadores depositam eletrodos formando padrões especiais sobre a película de elastômero dielétrico, de forma que a mola incorpore dois atuadores energizados independentes em cada metade do dispositivo (separadas
longitudinalmente). Se for aplicada tensão apenas à metade esquerda da mola, a metade direita inibirá o movimento resultante e fará com que o dispositivo se dobre para a direita. Se apenas a metade direita for ativada, a mola se dobra para a esquerda.

Se ambas as metades são energizadas, a mola se distende. Arranjos mais complicados de eletrodos independentes podem criar movimentos mais complexos. Outras aplicações para molas que se curvam são robôs que se movimentam como cobras, cateteres e endoscópios manobráveis, robôs com pernas e mecanismos para orientação de antenas.

Atuadores de diafragma

ATUADORES DE DIAFRAGMAS são construídos esticando-se películas de elastômero dielétrico sobre uma abertura existente numa estrutura relativamente rígida. Normalmente, o diafragma tem uma predisposição, criada pressionando-o para cima ou para baixo com o emprego de uma mola, de leve pressão do ar, de uma espuma ou outros meios. Essa tendência faz com que o diafragma atue num sentido específico (para cima ou para baixo), em vez de simplesmente enrugar-se aleatoriamente quando é aplicada tensão. Atuadores de diafragmas podem ser usados onde se necessitar de um deslocamento de volume, como em bombas e alto-falantes. Atuadores de diafragmas empregando tecnologias alternativas de acionamento, como materiais piezoelétricos, vêm sendo usados há bastante tempo, mas dispositivos constituídos por diafragmas de elastômeros dielétricos proporcionam maiores deslocamentos. Alguns arranjos, por exemplo, podem ser defletidos de uma posição original plana de modo a assumir forma esférica.

Texturização de superfícies

A CAPACIDADE DE ALTERAR A TEXTURA de uma superfície pode ser desejável para uma variedade de aplicações, como em materiais ?ativos? para camuflagem militar. A texturização de superfícies também pode ajudar a controlar o fluxo de ar ou água sobre as superfícies de aviões ou navios. Visores sensíveis ao toque (inclusive sistemas que geram caracteres em Braille) poderiam ser baseados em alterações de textura. A maioria dos atuadores de elastômeros dielétricos baseia-se em deformações em larga escala no plano da película. Alterações na espessura da película, por outro lado, são quase imperceptíveis. Entretanto, revestindose folhas de película delgada, e os eletrodos elásticos formados por padrões, com uma camada muito mais espessa e mais macia de gel de polímeros, as alterações na espessura podem ser bastante amplificadas e facilmente visíveis. À medida que a película se expande no plano, o gel se espalha juntamente com a película em expansão e se acumula nos pontos em que a película se comprime.

Resumo/ Polímeros Eletroativos

- Físicos e químicos há muito tentam desenvolver materiais leves capazes de se distender e contrair significativamente em comprimento ou volume quando sujeitos a estimulação elétrica. Essas substâncias poderiam servir como condutores para novos dispositivos de geração de movimento (geralmente chamados de atuadores), abrindo caminho para a substituição de motores elétricos, que normalmente são grandes e pesados demais para aplicações de pequena escala.

- Uma nova geração de materiais polímeros eletroativos demonstram resposta física suficiente a estímulos elétricos para alimentar novos tipos de atuadores assim como sensores inovadores e geradores de energia. Produtos baseados nessa tecnologia de "músculos artificiais" estão começando a chegar ao mercado.

Para conhecer mais

- High-Speed Electrically Actuated Elastomers with Over 100% Strain. Ron Pelrine, Roy Kornbluh, Qibing Pei e Jose Joseph em Science, Vol. 287, págs. 836-839; 04/02/2000.

- Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Artificial Muscles: Reality, Potential, and Challenges. Org. por Yoseph Bar-Cohen. SPIE Press Monograph, Vol. PM98; 2001.

- Polymer Actuators. Peter Sommer-Larsen e Roy Kornbluh em Proceedings of Actuator 2002, 8th International Conference on New Actuators, Bremen, Alemanha; 06/2002.

-Engineering a Muscle: An Approach to Artificial Muscle Based on Field-Activated Electroactive Polymers. Roy Kornbluh, Robert Full, Kenneth Meijer, Ron Pelrine e Subramanian Shastri em Neurotechnology for Biomimetic Robots. Editado por Joseph Ayers, Joel Davis e Alan R.