Imagine um pequeno veículo autônomo que pudesse dirigir por terra, parar e se achatar em um quadricóptero. Os rotores começam a girar e o veículo voa para longe. Olhando mais de perto, o que você acha que veria? Que mecanismos fizeram com que ele se transformasse de um veículo terrestre em um quadricóptero voador? Você pode imaginar engrenagens e correias, talvez uma série de minúsculos servomotores que puxam todas as suas peças no lugar.
Se esse mecanismo fosse projetado por uma equipe da Virginia Tech liderada por Michael Bartlett, professor assistente de engenharia mecânica, você veria uma nova abordagem para a mudança de forma no nível do material. Esses pesquisadores usam borracha, metal e temperatura para transformar materiais e fixá-los no lugar sem motores ou polias. O trabalho da equipe foi publicado na Science Robotics. Os coautores do artigo incluem os estudantes de pós-graduação Dohgyu Hwang e Edward J. Barron III e o pesquisador de pós-doutorado A. B. M. Tahidul Haque.
Entrando em forma
A natureza é rica em organismos que mudam de forma para desempenhar diferentes funções. O polvo se remodela dramaticamente para se mover, comer e interagir com seu ambiente; os humanos flexionam os músculos para suportar cargas e manter a forma; e as plantas se movem para capturar a luz do sol ao longo do dia. Como você cria um material que atinge essas funções para permitir novos tipos de robôs multifuncionais e metamorfoseados?
“Quando começamos o projeto, queríamos um material que pudesse fazer três coisas: mudar de forma, manter essa forma e depois retornar à configuração original, e fazer isso por muitos ciclos”, disse Bartlett. “Um dos desafios foi criar um material macio o suficiente para mudar drasticamente de forma, mas rígido o suficiente para criar máquinas adaptáveis que possam desempenhar diferentes funções.”
Para criar uma estrutura que pudesse ser transformada, a equipe recorreu ao kirigami, a arte japonesa de fazer formas de papel cortando. (Esse método difere do origami, que usa dobras.) Ao observar a força desses padrões de kirigami em borrachas e compósitos, a equipe conseguiu criar uma arquitetura material de um padrão geométrico repetido.
Em seguida, eles precisavam de um material que mantivesse a forma, mas permitisse que essa forma fosse apagada sob demanda. Aqui eles introduziram um endoesqueleto feito de uma liga de baixo ponto de fusão (LMPA) incorporada dentro de uma pele de borracha. Normalmente, quando um metal é esticado demais, o metal fica permanentemente dobrado, rachado ou esticado em uma forma fixa e inutilizável. No entanto, com esse metal especial embutido na borracha, os pesquisadores transformaram esse mecanismo de falha típico em uma força. Quando esticado, este compósito agora mantém a forma desejada rapidamente, perfeito para materiais de transformação suave que podem se tornar instantaneamente suporte de carga.
Finalmente, o material teve que devolver a estrutura à sua forma original. Aqui, a equipe incorporou aquecedores macios semelhantes a gavinhas ao lado da malha LMPA. Os aquecedores fazem com que o metal seja convertido em líquido a 60 graus Celsius (140 graus Fahrenheit), ou 10 por cento da temperatura de fusão do alumínio. A pele de elastômero mantém o metal derretido contido e no lugar, e então puxa o material de volta para a forma original, revertendo o alongamento, dando ao compósito o que os pesquisadores chamam de “plasticidade reversível”. Depois que o metal esfria, ele novamente contribui para manter a forma da estrutura.
“Esses compósitos têm um endoesqueleto de metal embutido em uma borracha com aquecedores macios, onde os cortes inspirados no kirigami definem uma série de vigas metálicas. retornar à forma original”, disse Hwang.
Os pesquisadores descobriram que esse design composto inspirado no kirigami pode criar formas complexas, de cilindros a bolas e a forma irregular do fundo de uma pimenta. A mudança de forma também pode ser alcançada rapidamente: após o impacto com uma bola, a forma mudou e foi fixada no lugar em menos de 1/10 de segundo. Além disso, se o material quebrasse, ele poderia ser curado várias vezes derretendo e reformando o endoesqueleto de metal.
Um drone para terra e ar, um para mar
As aplicações para esta tecnologia estão apenas começando a se desdobrar. Ao combinar esse material com energia, controle e motores a bordo, a equipe criou um drone funcional que se transforma de forma autônoma de um veículo terrestre para aéreo. A equipe também criou um pequeno submarino desdobrável, usando a transformação e o retorno do material para recuperar objetos de um aquário raspando a barriga do submarino ao longo do fundo.
“Estamos entusiasmados com as oportunidades que este material apresenta para robôs multifuncionais. Esses compósitos são fortes o suficiente para suportar as forças de motores ou sistemas de propulsão, mas podem se transformar prontamente, o que permite que as máquinas se adaptem ao ambiente”, disse Barron.
Olhando para o futuro, os pesquisadores prevêem que os compostos morphing desempenham um papel no campo emergente da robótica suave para criar máquinas que podem executar diversas funções, auto-curar após serem danificadas para aumentar a resiliência e estimular ideias diferentes em interfaces homem-máquina e dispositivos vestíveis.
Publicado em 12/02/2022 18h30
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