Los músculos artificiales se flexionan por primera vez: innovación de polímeros ferroeléctricos en robótica

Por Penn State University 8 de julio de 2023

Actuación de polímeros ferroeléctricos impulsados ​​por calentamiento Joule. Crédito: Qing Wang

Investigadores de Penn State han desarrollado un nuevo polímero ferroeléctrico que convierte eficientemente la energía eléctrica en tensión mecánica. Este material, que muestra potencial para su uso en dispositivos médicos y robótica, supera las limitaciones piezoeléctricas tradicionales. Los investigadores mejoraron el rendimiento mediante la creación de un nanocompuesto polimérico, lo que redujo significativamente la intensidad del campo impulsor necesario y amplió las posibles aplicaciones.

Un nuevo tipo de polímero ferroeléctrico que es excepcionalmente bueno para convertir energía eléctrica en tensión mecánica es prometedor como controlador o "actuador" de movimiento de alto rendimiento con gran potencial para aplicaciones en dispositivos médicos, robótica avanzada y sistemas de posicionamiento de precisión, según un estudio. equipo de investigadores internacionales dirigido por Penn State.

La tensión mecánica, cómo un material cambia de forma cuando se aplica una fuerza, es una propiedad importante para un actuador, que es cualquier material que cambiará o se deformará cuando se aplique una fuerza externa, como la energía eléctrica. Tradicionalmente, estos materiales de actuador eran rígidos, pero los actuadores blandos, como los polímeros ferroeléctricos, muestran una mayor flexibilidad y adaptabilidad ambiental.

La investigación demostró el potencial de los nanocompuestos de polímeros ferroeléctricos para superar las limitaciones de los compuestos de polímeros piezoeléctricos tradicionales, ofreciendo una vía prometedora para el desarrollo de actuadores blandos con mayor rendimiento de deformación y densidad de energía mecánica. Los actuadores blandos son de especial interés para los investigadores en robótica debido a su fuerza, potencia y flexibilidad.

"Potencialmente ahora podemos tener un tipo de robótica blanda a la que nos referimos como músculo artificial", dijo Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Penn State y coautor del estudio publicado recientemente en la revista Nature Materials. “Esto nos permitiría tener materia blanda que pueda soportar una carga elevada además de una gran tensión. Entonces, ese material sería más bien una imitación del músculo humano, una imitación cercana al músculo humano”.

Sin embargo, hay algunos obstáculos que superar antes de que estos materiales puedan cumplir su promesa, y en el estudio se propusieron posibles soluciones a estos obstáculos. Los ferroeléctricos son una clase de materiales que demuestran una polarización eléctrica espontánea cuando se aplica una carga eléctrica externa y las cargas positivas y negativas de los materiales se dirigen a diferentes polos. La tensión en estos materiales durante la transición de fase, en este caso la conversión de energía eléctrica en energía mecánica, puede cambiar completamente propiedades como su forma, lo que los hace útiles como actuadores.

"Potencialmente ahora podemos tener un tipo de robótica blanda a la que nos referimos como músculo artificial".

— Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales.

Una aplicación común de un actuador ferroeléctrico es una impresora de inyección de tinta, donde la carga eléctrica cambia la forma del actuador para controlar con precisión las pequeñas boquillas que depositan tinta en el papel para formar texto e imágenes.

While many ferroelectric materials are ceramics, they also can be polymers, a class of natural and synthetic materials made of many similar units bonded together. For example, DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> El ADN es un polímero, al igual que el nailon. Una ventaja de los polímeros ferroeléctricos es que exhiben una enorme cantidad de tensión inducida por el campo eléctrico necesaria para su actuación. Esta tensión es mucho mayor que la generada por otros materiales ferroeléctricos utilizados para actuadores, como la cerámica.

Esta propiedad de los materiales ferroeléctricos, junto con un alto nivel de flexibilidad, un coste reducido en comparación con otros materiales ferroeléctricos y un peso reducido, suscita un gran interés para los investigadores del creciente campo de la robótica blanda, el diseño de robots con piezas flexibles y la electrónica.

"En este estudio, propusimos soluciones a dos desafíos importantes en el campo de la actuación de materiales blandos", dijo Wang. “Uno es cómo mejorar la fuerza de los materiales blandos. Sabemos que los materiales de accionamiento blandos que son polímeros tienen la mayor tensión, pero generan mucha menos fuerza en comparación con las cerámicas piezoeléctricas”.

El segundo desafío es que un actuador de polímero ferroeléctrico normalmente necesita un campo impulsor muy alto, que es una fuerza que impone un cambio en el sistema, como el cambio de forma en un actuador. En este caso, el alto campo impulsor es necesario para generar el cambio de forma en el polímero requerido para la reacción ferroeléctrica necesaria para convertirse en un actuador.

La solución propuesta para mejorar el rendimiento de los polímeros ferroeléctricos fue desarrollar un nanocompuesto de polímero ferroeléctrico percolativo, una especie de pegatina microscópica adherida al polímero. Al incorporar nanopartículas en un tipo de polímero, el fluoruro de polivinilideno, los investigadores crearon una red interconectada de polos dentro del polímero.

"...este nuevo material se puede utilizar para muchas aplicaciones que requieren un campo de conducción bajo para ser eficaz, como dispositivos médicos, dispositivos ópticos y robótica blanda".

— Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales.

Esta red permitió inducir una transición de fase ferroeléctrica en campos eléctricos mucho más bajos de lo que normalmente se requeriría. Esto se logró mediante un método electrotérmico que utiliza calentamiento Joule, que ocurre cuando la corriente eléctrica que pasa a través de un conductor produce calor. El uso del calentamiento Joule para inducir la transición de fase en el polímero nanocompuesto dio como resultado que solo se requiriera menos del 10% de la fuerza de un campo eléctrico que normalmente se necesita para el cambio de fase ferroeléctrica.

"Normalmente, esta tensión y fuerza en los materiales ferroeléctricos están correlacionadas entre sí, en una relación inversa", dijo Wang. “Ahora podemos integrarlos en un solo material y desarrollamos un nuevo enfoque para impulsarlo mediante el calentamiento Joule. Dado que el campo de conducción será mucho menor, menos del 10 %, este nuevo material se puede utilizar para muchas aplicaciones que requieren un campo de conducción bajo para ser eficaz, como dispositivos médicos, dispositivos ópticos y robótica blanda. "

Referencia: “Actuación electrotérmica en nanocompuestos de polímeros ferroeléctricos percolativos” por Yang Liu, Yao Zhou, Hancheng Qin, Tiannan Yang, Xin Chen, Li Li, Zhubing Han, Ke Wang, Bing Zhang, Wenchang Lu, Long-Qing Chen, J Bernholc y Qing Wang, 25 de mayo de 2023, Nature Materials.DOI: 10.1038/s41563-023-01564-7

Along with Wang, other researchers in the study include from Penn State Yao Zhou, postdoctoral scholar in materials science and engineering; Tiannan Yang, assistant research professor with the Materials Research Institute; Xin Chen, postdoctoral researcher in materials science and engineering; Li Li, research assistant in materials science and engineering; Zhubing Han, graduate research assistant in materials science and engineering; Ke Wang, associate research professor with the Materials Research Institute; and Long-Qing Chen, Hamer Professor of Materials Science and Engineering. From North Carolina State UniversityFounded in 1887 and part of the University of North Carolina system, North Carolina State University (also referred to as NCSU, NC State, or just State) is a public land-grant research university in Raleigh, North Carolina. NC State offers a wide range of academic programs and disciplines, including the humanities, social sciences, natural sciences, engineering, business, and education. It is known for its strong programs in engineering, science, and technology and is a leader in research and innovation. It forms one of the corners of the Research Triangle together with Duke University in Durham and The University of North Carolina at Chapel Hill. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Universidad Estatal de Carolina del Norte, otros investigadores en el estudio incluyen a Hancheng Qin, asistente de investigación graduado en física; Bing Zhang, estudiante de posgrado en física; Wenchang Lu, profesor investigador de física; y Jerry Bernholc, profesor de Física de Drexel. De la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong en Wuhan, China, otros investigadores en el estudio incluyen al coautor Yang Liu, ex becario postdoctoral en ciencia e ingeniería de materiales en Penn State, ahora profesor de ciencia e ingeniería de materiales.

El estudio fue financiado en parte por el Departamento de Energía de Estados Unidos.