Tecido com músculo artificial
Elementos robóticos que aplicam forças quando ativados podem fornecer assistência mecânica aos músculos humanos, mas é extremamente desafiador fabricar atuadores com força e amplitude de movimento suficientes e que, ao mesmo tempo, mantenham-se flexíveis o bastante para serem integrados às vestimentas.
Huapeng Zhang e Herbert Shea, da Escola Politécnica Federal de Lausanne (EPFL), na Suíça, criaram uma solução para esse dilema usando músculos artificiais, mais especificamente fibras de liga com memória de forma (SMA), materiais que se deformam quando sofrem uma mudança de temperatura, mas retornam à sua forma original quando a temperatura volta ao nível de referência, como se lembrassem de sua forma original.
O material tem mais um jeitão de tela do que de um tecido convencional, mas é igualmente formado por fibras entrelaçadas em um padrão periódico em forma de X, conhecido como geometria de cruzamento em X, ou ponto cruzado. Diferente do ponto cruz na tecelagem, no cruzamento em X as fibras são dispostas de modo que todos os cruzamentos fiquem alinhados com a direção do movimento desejado.
O resultado é glamoroso: Quando o tecido robótico é contraído em 50%, um pedaço de apenas 4,5 gramas consegue levantar 1 kg de carga útil.
“Nós percebemos que a orientação dos cruzamentos das fibras desempenha um papel crucial na forma como as forças se somam dentro de um atuador têxtil,” explicou Zhang. “Ao alinhar os cruzamentos, garantimos que as forças geradas em cada interseção contribuam construtivamente, em vez de se oporem, resultando em um atuador têxtil com desempenho significativamente superior aos designs tricotados ou com nós anteriores.”
Ponto de cruzamento em X
O princípio de funcionamento do tecido robótico baseia-se na forma como os finos filamentos de SMA, feitos de uma liga de níquel-titânio, encurtam e enrijecem quando aquecidos por uma corrente elétrica. Embora esses músculos artificiais sejam relativamente fortes, sua eficácia em têxteis tem sido historicamente limitada pela forma como são entrelaçados. Em malhas ou nós convencionais, as fibras se entrelaçam em direções diferentes. Quando se contraem, suas forças frequentemente se opõem, anulando-se parcialmente.
É aí que entra o cruzamento em X. Neste tipo de entrelaçamento, cada cruzamento é alinhado precisamente na direção do movimento desejado. Em vez de as fibras resistirem umas às outras, elas cooperam perfeitamente. Além de maximizar a força gerada, esse alinhamento permite que o tecido resultante seja esticado até 160% do seu comprimento original, tornando as peças flexíveis e fáceis de vestir.
Para demonstrar o potencial de aplicações práticas, Zhang e Shea integraram seus tecidos atuadores em dois protótipos funcionais de vestuário. Primeiro, ao fixar o tecido no braço de um manequim, demonstraram uma manga vestível para auxiliar na flexão do cotovelo – o atuador levantou uma bolsa de 1 kg, segurada na mão do manequim, em uma amplitude de movimento de 30°, de forma suave e controlada. Na segunda demonstração, os atuadores foram usados para compressão corporal, necessária para mangas médicas ou equipamentos esportivos.
“Embora os têxteis tradicionalmente sirvam apenas como vestuário passivo, a transição para tecidos que funcionam como atuadores poderosos possibilita uma nova classe de robôs vestíveis confortáveis, discretos e práticos, que ofereçam suporte às atividades diárias,” disse Shea.
Bibliografia:
Artigo: Mechanics-informed fabric actuators with aligned fiber crossings
Autores: Huapeng Zhang, Herbert Shea
Revista: Science Advances
DOI: 10.1126/sciadv.aeb6760