Os atuadores de elastômeros dielétricos (DEAs) têm mostrado um potencial notável na robótica soft, especialmente devido às suas capacidades de deformação e flexibilidade. Tradicionalmente, esses atuadores eram limitados pelo formato de membranas dielétricas, com funcionalidades mínimas no contexto de aplicações robóticas. Entretanto, novas abordagens têm sido desenvolvidas, permitindo que os DEAs funcionem como vigas flexíveis, cilindros expansíveis e atuadores que se contraem linearmente. Essas inovações não apenas ampliam o alcance das aplicações de DEAs, mas também oferecem soluções para desafios técnicos essenciais no design de robôs suaves.

Entre os materiais mais estabelecidos utilizados para a fabricação de elastômeros dielétricos, destacam-se os siloxanos, especialmente o polidimetilsiloxano (PDMS). Os siloxanos são notáveis por sua baixa viscoelasticidade, o que permite seu funcionamento em altas frequências, uma característica essencial para aplicações como comunicação háptica. Além disso, ao serem ablatedos termicamente, o PDMS gera sílica (SiO2), um excelente isolante, que previne danos adicionais no caso de falha dielétrica. Contudo, o PDMS apresenta algumas limitações. A baixa tensão superficial de certos variantes torna a adesão a outros materiais difícil, gerando desafios de integração. Além disso, o constante dielétrico do PDMS é relativamente baixo (aproximadamente 3), o que limita sua eficiência em algumas aplicações, assim como seu baixo campo de ruptura (30-40 V/µm). A cura térmica do PDMS, por meio de misturas de duas partes, também depende de reações de hidrossililação, o que pode restringir sua adaptabilidade.

Uma alternativa popular ao PDMS é o adesivo sensível à pressão baseado em química acrílica, como o VHB da 3M. Este material requer um pré-estiramento biaxial em uma proporção de 3 × 3 para permitir grandes deformações. A principal vantagem do VHB é que ele pode ser curado sob luz ultravioleta, em ausência de oxigênio, e pode gerar elastômeros com constantes dielétricas mais altas do que os silicones, alcançando 4,5 contra 3. Além disso, os materiais acrílicos podem ser facilmente unidos a outros materiais, o que resolve um dos principais problemas do PDMS em termos de integração.

No entanto, os atuadores de elastômeros dielétricos enfrentam desafios adicionais quando se trata dos eletrodos que os acompanham. Os eletrodos precisam ser condutores sob grandes deformações, que podem chegar até 1000% da área original. O uso de condutores de alto aspecto, como nanotubos de carbono ou fios de prata, ajuda a manter contatos elétricos eficazes mesmo sob grandes tensões. Além disso, é necessário garantir que os eletrodos possam ser empilhados, uma vez que as configurações de múltiplas camadas de DEAs produzem respostas de força maiores, proporcionais ao número de camadas. A rigidez dos eletrodos também é um fator importante: se o eletrodo for mais rígido que o elastômero, uma parte da pressão de Maxwell será necessária para deformá-lo, o que reduz a energia mecânica disponível para o trabalho útil do DEA. Portanto, os materiais usados para os eletrodos precisam ser o mais finos possível para maximizar a densidade volumétrica de energia do atuador.

Os eletrodos também devem ser projetados para se adaptar ao estado de deformação do elastômero. A deposição de materiais metálicos enquanto o elastômero está estirado pode resultar em padrões corrugados quando o elastômero volta ao seu estado original, o que aumenta a complexidade da fabricação em dispositivos de múltiplas camadas. Da mesma forma, os eletrodos precisam ser leves para evitar que o peso excessivo reduza a densidade energética do atuador.

O principal desafio na utilização de DEAs em robótica soft é a conversão da deformação da membrana em trabalho mecânico útil. O modo de operação fundamental dos DEAs envolve a expansão da membrana no plano e a contração em sua espessura. Esse modo de operação tem uma funcionalidade limitada para aplicações em robôs suaves, uma vez que a deformação planar é difícil de aproveitar de forma eficiente em dispositivos móveis. Algumas aplicações têm sido desenvolvidas utilizando a deformação das membranas para modificar o caminho da luz, como em lentes ajustáveis ou redutores de speckle a laser, onde a mudança na espessura do líquido no interior de uma lente pode ajustar o foco.

Entretanto, abordagens alternativas buscam melhorar a funcionalidade dos DEAs sem a necessidade de estruturas rígidas. Os DEAs multicamadas têm sido projetados para não depender de pré-estiramento, oferecendo maiores saídas de força com deslocamentos menores (menos de 20%). Esses dispositivos têm o potencial de produzir trabalho mecânico mais valioso para robôs suaves, pois sua flexibilidade permite a integração mais eficiente com outras tecnologias, como a locomoção por pernas de fricção diferencial. A deformação simples, como a flexão quando colada a uma camada limitadora de tensão, é a mais básica e pode ser usada em uma variedade de configurações, como dedos de garra, robôs inspirados no movimento de inchworm ou robôs que pulam com altas taxas de deformação.

A utilização desses atuadores de elastômeros dielétricos em robótica não está isenta de desafios. A fabricação de sistemas de múltiplas camadas requer técnicas especializadas para garantir que cada camada possa ser integrada de forma eficiente sem comprometer as propriedades dielétricas ou mecânicas do sistema como um todo. Além disso, a pesquisa continua para aprimorar a resistência e a funcionalidade dos materiais de elastômero e dos eletrodos, a fim de superar as limitações atuais e expandir ainda mais as possibilidades de atuação em dispositivos de robótica flexível.

Versatilidade dos Sistemas de Elastômeros com Cristais Líquidos: Blocos de Construção e Métodos de Processamento

A versatilidade do sistema de elastômeros com cristais líquidos (LCEs) pode ser observada tanto nos blocos de construção quanto nos métodos de processamento empregados para sua fabricação. Diversos grupos de mesógenos têm sido demonstrados como componentes-chave na construção desses sistemas, incluindo vinil, diacrilatos, diidroxila, epóxidos, oxetano e dioxetano. Esses mesógenos são fundamentais para determinar as propriedades de resposta do material, seja para aquecimento, luz ou até mesmo umidade. A escolha dos mesógenos e das reações envolvidas no processo de polimerização pode variar, com reações como hidrossililação, polimerização por crescimento em etapas, polimerização por radicais livres e fotopolimerização catiônica sendo amplamente utilizadas. Técnicas de reação como as chamadas "click reactions", incluindo reações de tiole-ene, tiole-yne, tiole-Michael e aza-Michael, também têm sido adaptadas com sucesso para a construção de elastômeros com cristais líquidos.

O portfólio de reagentes e tipos de reações disponíveis permite uma abordagem altamente criativa para a construção desses materiais, possibilitando até mesmo a aplicação de estímulos externos para controlar a atuação dos LCEs. O principal objetivo na construção desses sistemas é a obtenção de uma atuação reversível sem a necessidade de pré-carga, bem como o controle das respostas mecânicas locais, tanto em escala quanto em direção. A forma mais comum de orientar os LCEs é o alinhamento mecânico, onde as cadeias poliméricas são parcialmente entrecruzadas antes da aplicação de estresse mecânico para promover a orientação. Uma vez alinhados, o processo de entrecruzamento é completado, fixando a orientação. Isso resulta em atuadores com orientação uniaxial dos mesógenos, capazes de contrair e expandir significativamente ao longo do eixo devido ao movimento coletivo dos mesógenos no atuador.

Além disso, a pesquisa mais recente tem se concentrado nas técnicas de manufatura aditiva, especialmente na impressão 3D e 4D, que permitem a criação de geometrias altamente complexas e com controle preciso de voxel. Isso amplia significativamente as possibilidades de design de sistemas mais sofisticados e adaptáveis.

A estrutura dos elastômeros com cristais líquidos é extremamente versátil e não se limita apenas à resposta térmica. Por exemplo, materiais desenvolvidos para responder a estímulos de luz e umidade têm sido cada vez mais explorados. Um estudo notável demonstrado por Lugger et al. no contexto da impressão 4D mostra como os materiais podem ser projetados para responder simultaneamente a estímulos térmicos e luminosos, dependendo dos mesógenos incorporados. Essa abordagem permite ao operador uma liberdade maior no design e montagem das estruturas, utilizando técnicas como a escrita direta de tinta (DIW).

Além de responderem ao calor, muitos dos mesógenos utilizados apresentam sensibilidade à luz, o que pode induzir uma mudança no arranjo trans ou cis de grupos azo. Alguns sistemas também exibem sensibilidade à umidade, com a capacidade de inchar anisotropicamente em resposta à umidade ambiente, o que altera a estrutura do mesógeno e resulta em movimento. Esses materiais com múltiplos tipos de resposta têm a capacidade de gerar forças maiores em comparação com estruturas que respondem apenas à luz, quando sujeitos a tensões equivalentes.

Em relação à aplicação prática e ensino, uma sessão laboratorial pode ser organizada para que os alunos testem materiais termicamente responsivos, como os elastômeros voláteis infundidos com líquido. O objetivo do laboratório seria proporcionar uma compreensão prática de como a energia térmica pode ser convertida em movimento, promovendo o aprendizado de conceitos sobre a transição de fases e a atuação de materiais. Para a produção dos atuadores térmicos, são necessários vários componentes, incluindo partes de elastômeros, etanol, uma fonte de alimentação de baixa voltagem e alta corrente, além de ferramentas para medir o deslocamento, como réguas e calibres.

Em um experimento típico, os alunos poderiam usar métodos anisotrópicos de aquecimento, como uma chapa quente ou uma pistola de calor, bem como um método isotrópico, onde a entrega de calor é mais uniforme. Os passos para a produção dos atuadores incluem a mistura de etanol e elastômeros A e B, o moldamento da mistura em uma forma impressa em 3D e o processo de cura à temperatura ambiente.

Ao realizar as medições e cálculos, os alunos aprenderiam a estimar o tempo necessário para alcançar a deformação máxima do atuador, usando uma equação simples que leva em consideração a massa do atuador, a variação de temperatura e a eficiência térmica do sistema. A comparação dos tempos calculados com os medidos pode proporcionar uma visão mais profunda sobre a dinâmica do sistema e as possíveis fontes de variação.

Além disso, a utilização de fibras Janus, compostas por materiais distintos unidos ao longo de uma interface, pode oferecer uma nova abordagem para criar materiais termicamente ativos. Um exemplo disso seria a combinação de polímeros de memória de forma (SMP) com PET, onde a interação entre os materiais pode ser explorada para otimizar a resposta térmica do sistema.

Ao estudar esses materiais, é crucial que os leitores compreendam que a capacidade de um LCE responder a estímulos externos não se limita apenas ao calor. A combinação de diferentes tipos de mesógenos e a implementação de técnicas de manufatura avançadas, como a impressão 3D/4D, oferecem um vasto campo de exploração para a criação de materiais inteligentes, com aplicações em robótica, medicina e sistemas de atuadores flexíveis.

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