Los actuadores dieléctricos elásticos (DEA, por sus siglas en inglés) son dispositivos que utilizan la deformación de un elastómero dieléctrico al aplicar un campo eléctrico. A medida que el dispositivo se expande, se pueden medir la deformación axial y representarla en función del voltaje aplicado. Este tipo de actuadores tiene una aplicación relevante en la recolección de energía, ya que convierte energía eléctrica en energía mecánica. La operación básica de un DEA sigue un procedimiento simple pero esencial para entender su comportamiento.

El primer paso consiste en conectar el DEA a un amplificador de alto voltaje. Luego, se mide el diámetro inicial del dispositivo. A continuación, se aplica un voltaje en incrementos de 0,5 kV y se mide el diámetro del actuador en ese estado, tomando fotografías del DEA desde arriba, con una regla en el fondo para registrar el diámetro. Este proceso se repite hasta que se alcance el punto de ruptura dieléctrica. Es crucial tomar nota de los valores para cada tipo de electrodo y el ratio de preestiramiento.

Para entender el potencial de la recolección de energía, consideremos un capacitor estirable con un área de 100 cm² y un grosor de 300 µm, donde el material dieléctrico es el VHB 4910, con una constante dieléctrica de ϵ = 4,5 y un módulo de elasticidad de Y = 200 kPa. Se asume que los electrodos son ideales, no agregan rigidez ni grosor apreciable al dispositivo, y mantienen la conductividad cuando se estiran hasta 10 veces su longitud original. Con base en la fórmula de capacitancia C=ϵϵ0AdC = \frac{\epsilon \epsilon_0 A}{d}, se pueden calcular varios valores importantes para la operación del dispositivo.

La capacitancia en su estado no estirado es esencial para calcular el almacenamiento de energía del dispositivo. Para ello, primero se determina la capacitancia del dispositivo en su estado inicial utilizando los parámetros de área y grosor del material dieléctrico. Posteriormente, al estirar el dispositivo hasta 10 veces su área original, la capacitancia se incrementa de manera proporcional, lo que aumenta la capacidad del dispositivo para almacenar energía.

El siguiente paso es calcular cuánta energía mecánica se almacena en el elastómero estirado antes de ser cargado con voltaje. La densidad de energía volumétrica se puede obtener a partir del estrés y la deformación, y se calcula como emech=λ2×Ye_{\text{mech}} = \lambda^2 \times Y, donde λ es la deformación y Y el módulo de elasticidad del material. En este caso, el valor de la energía almacenada es 60 J, lo que representa la cantidad de energía que el elastómero puede almacenar debido a su deformación.

Es crucial también considerar cómo cambia el voltaje cuando el estrés mecánico se libera y el dispositivo vuelve a su tamaño original. La conservación de la carga es fundamental para estos cálculos. Si se conoce la capacitancia en el estado relajado, es posible calcular el voltaje final una vez que se ha liberado la tensión.

Un aspecto interesante es la eficiencia de conversión electro-mecánica, que se calcula como la relación entre la diferencia de energía almacenada en el estado estirado y relajado con respecto a la energía mecánica almacenada en el elastómero. En este caso, la eficiencia es del 0.11%, lo que destaca el desafío de convertir la energía eléctrica en energía mecánica de manera eficiente.

Además de la capacidad de generar energía, los actuadores dieléctricos elásticos también tienen un tiempo de respuesta que depende de su constante de tiempo RC, la cual está determinada por la resistencia y la capacitancia del sistema. En un problema ejemplo, se calcula que un DEA con resistencia de 100 kΩ y capacitancia de 1 nF tiene un tiempo constante de 0.1 ms, lo que indica que puede alcanzar el 99% de su voltaje de actuación en 0.5 ms. Esto lo hace adecuado para aplicaciones que requieren alta velocidad, como los dispositivos hápticos, que operan a frecuencias de hasta 200 Hz.

Los actuadores dieléctricos elásticos también tienen aplicaciones en sensores capacitivos, como en el caso de un sensor operado uniaxialmente. Estos sensores se estiran y deforman cuando se les aplica tensión, lo que cambia sus dimensiones y, por ende, su capacitancia. Es posible calcular la capacitancia inicial y final de un sensor cuando se estira, considerando los parámetros del material y las propiedades dieléctricas.

En conclusión, los actuadores dieléctricos elásticos son dispositivos sofisticados que tienen un gran potencial en diversas aplicaciones, desde la recolección de energía hasta la actuación en sistemas rápidos como los dispositivos hápticos. A medida que se perfeccionan los materiales y la integración de estos dispositivos, se podrán mejorar tanto su eficiencia como su velocidad de respuesta, abriendo nuevas oportunidades en el campo de la ingeniería de materiales y la robótica blanda.

¿Cómo los avances en baterías y sistemas fluidos contribuyen a la robótica suave?

En el desarrollo de baterías de alto voltaje, la elección adecuada del material para los colectores de corriente es crucial para garantizar la estabilidad electroquímica. En las baterías de iones de litio que utilizan grafito como ánodo, el metal preferido para el ánodo es el cobre, mientras que para el cátodo se emplea aluminio. Sin embargo, la estabilidad a largo plazo de las celdas electroquímicas requiere que el oxígeno y el agua sean excluidos de la batería, lo cual se logra mediante la encapsulación del sistema en bolsas metalizadas o en cajas metálicas, dejando solo los terminales de los colectores de corriente conectados al exterior.

Un ejemplo innovador de diseño se observa en las baterías completamente integradas y estirables, las cuales pueden extenderse hasta un 100 % más allá de su longitud original. En estos dispositivos, los colectores de corriente convencionales, rígidos y metálicos, se sustituyen por una mezcla de poli(estireno)-bloque-poli(etileno-co-butileno)-bloque-poli(estireno) (SEBS) combinada con negro de carbono y nanotubos de carbono, recubiertos con escamas de plata para mejorar la conductividad eléctrica. La membrana separadora se reemplaza por un electrolito en gel hidrofílico basado en agua, lo que permite que materiales como LiMn2O4 sirvan como cátodo y V2O5 como ánodo, ofreciendo un voltaje de entre 0.7 y 1.5 V dependiendo del estado de carga.

A pesar de que estas baterías pueden estirarse hasta un 50 % y mantener una capacidad reversible de 28 mAh g−1, su adopción generalizada se ve limitada debido a la complejidad del proceso de fabricación, que requiere un conocimiento avanzado en ciencia de materiales. Sin embargo, este diseño promete un futuro donde las baterías sean más flexibles y adaptativas, lo cual podría ser clave para la robótica suave.

En este campo, los sistemas de lógica fluidos están comenzando a ganar relevancia, especialmente en la robótica suave, donde los microcontroladores rígidos suelen ser la norma. Estos sistemas pueden utilizar la infraestructura de fluidos de un robot para realizar operaciones lógicas, lo que permite eliminar la necesidad de componentes electrónicos rígidos, baterías y procesadores. La lógica microfluídica emplea el flujo y la presión del fluido para realizar operaciones lógicas, similar a los circuitos electrónicos que usan señales eléctricas.

Los sistemas microfluídicos pueden operar utilizando puertas lógicas como AND, OR, NOT y NOR, de manera que la presión de un fluido controle la actuación de los componentes. Este enfoque permite que los robots suaves sean programados para realizar movimientos secuenciales autónomos, lo que podría ser útil para robots que se mueven sin necesidad de microcontroladores o electrónicos susceptibles a interferencias electromagnéticas. Sin embargo, la fabricación de estos sistemas microfluídicos requiere alta precisión y ambientes controlados, y su velocidad de procesamiento es considerablemente más lenta que la de los circuitos electrónicos debido a la necesidad de mover materia para completar las operaciones lógicas.

Una de las últimas fronteras en la robótica suave se encuentra en el aprovechamiento de la ósmosis para generar movimiento. La ósmosis inversa, un proceso comúnmente utilizado en la purificación del agua, puede ser adaptada para actuar como fuente de energía en los actuadores fluidos de los robots suaves. Al igual que las plantas, que utilizan el transporte iónico a través de membranas para convertir partes de sus estructuras de flácidas a turgentes, los robots suaves pueden aprovechar este principio para controlar su rigidez. La deformación de un actuador impulsado por ósmosis ocurre cuando se aplica un bajo voltaje (<2 V) a una cámara llena de electrolito, lo que provoca que los iones migren hacia un lado de la membrana, causando la expansión del agua hacia el otro lado y alterando la rigidez de la cámara. Este cambio de rigidez permite que los actuadores robóticos imiten el movimiento de las zarcillas en las plantas, permitiéndoles extenderse o contraerse al cambiar su rigidez interna.

En un mundo donde la flexibilidad y la adaptabilidad son esenciales para el diseño de dispositivos robóticos, estos avances en baterías estirables y sistemas fluidos no solo mejoran la eficiencia energética y la autonomía de los robots suaves, sino que también abren la puerta a un diseño más orgánico e interconectado. A medida que la tecnología avanza, será cada vez más probable que los robots suaves del futuro se alimenten y operen sin necesidad de la rígida infraestructura electrónica actual, lo que representará una verdadera revolución en la robótica.

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