Músculos da impressora

Silicone que se move

12.03.2025

Os investigadores da Empa estão a trabalhar em músculos artificiais que podem acompanhar os músculos reais. Desenvolveram agora um método de produção de estruturas macias e elásticas, mas poderosas, utilizando a impressão 3D. Um dia, poderão ser utilizados na medicina ou na robótica - e em qualquer outro sítio onde seja necessário mover coisas com o toque de um botão.

Os músculos artificiais não se limitam a pôr os robots em movimento: Um dia, poderão apoiar as pessoas no trabalho ou ao caminhar, ou substituir tecido muscular lesionado. No entanto, o desenvolvimento de músculos artificiais que não sejam de modo algum inferiores aos músculos reais constitui um grande desafio técnico. Para poderem acompanhar os seus homólogos biológicos, os músculos artificiais têm de ser não só fortes, mas também elásticos e macios. Basicamente, os músculos artificiais são os chamados actuadores: Componentes que convertem impulsos eléctricos em movimento. Os actuadores são utilizados sempre que algo se move com o premir de um botão, seja em casa, no motor de um automóvel ou em instalações industriais altamente desenvolvidas. No entanto, estes componentes mecânicos duros ainda não têm muito em comum com os músculos.

Reconciliar as contradições

Por isso, uma equipa de investigadores do Laboratório de Polímeros Funcionais da Empa está a trabalhar em actuadores feitos de materiais macios. Agora, pela primeira vez, desenvolveram um método para produzir componentes tão complexos utilizando uma impressora 3D. Os chamados actuadores elásticos dieléctricos (DEA) consistem em dois materiais diferentes à base de silicone: um material de elétrodo condutor e um dielétrico não condutor. Estes materiais interligam-se em camadas. "É um pouco como entrelaçar os dedos", explica Patrick Danner, investigador da Empa. Se for aplicada uma tensão eléctrica aos eléctrodos, o atuador contrai-se como um músculo. Quando a tensão é novamente desligada, o atuador relaxa e volta à sua posição original.

Produzir uma estrutura deste tipo utilizando a impressão 3D não é trivial, sabe Danner. Apesar das suas propriedades eléctricas muito diferentes, os dois materiais macios devem comportar-se de forma muito semelhante durante o processo de impressão. Não devem misturar-se, mas têm de se manter bem juntos no atuador acabado. Os "músculos" impressos devem ser tão macios quanto possível, para que um estímulo elétrico possa levar à deformação necessária. A isto juntam-se os requisitos que todos os materiais para impressão 3D têm de cumprir: Devem liquefazer-se sob pressão para poderem ser pressionados para fora do bocal da impressora. Imediatamente a seguir, no entanto, devem ser suficientemente viscosos para manter a forma impressa. "Estas propriedades estão frequentemente em conflito direto entre si", afirma Danner. "Se optimizarmos uma delas, três outras mudam, normalmente em detrimento da outra."

Da luva ao coração

Em colaboração com investigadores da ETH Zurich, Danner e Dorina Opris, chefe do grupo de investigação "Materiais Poliméricos Funcionais", conseguiram conciliar muitas destas propriedades contraditórias. Duas tintas especiais, desenvolvidas na Empa, são impressas em actuadores macios funcionais utilizando um bocal desenvolvido pelos investigadores do ETH Tazio Pleij e Jan Vermant. A colaboração faz parte do projeto de grande escala "Manufhaptics", que se insere na área de concentração estratégica do domínio ETH "Fabrico Avançado". O objetivo do projeto é desenvolver uma luva que torne tangíveis os mundos virtuais. Os músculos artificiais foram concebidos para simular a preensão de objectos através da resistência.

No entanto, os actuadores macios têm muito mais aplicações potenciais. São leves, silenciosos e, graças ao novo processo de impressão 3D, podem ser moldados em qualquer formato. Poderiam substituir os actuadores convencionais em automóveis, máquinas e robótica. Se continuarem a ser desenvolvidos, poderão também ser considerados para aplicações médicas. Dorina Opris e Patrick Danner já estão a trabalhar neste sentido: o seu novo processo pode ser utilizado para imprimir não só formas complexas, mas também longas fibras elásticas. "Se as tornarmos um pouco mais finas, podemos aproximar-nos bastante do funcionamento das fibras musculares reais", afirma Opris. O investigador acredita que, no futuro, poderá ser possível imprimir um coração inteiro a partir dessas fibras. No entanto, ainda há muito a fazer para que esse sonho se torne realidade.

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Publicação original

Patrick M. Danner, Tazio Pleij, Florent Liechti, Jana Wolf, Alexandra V. Bayles, Jan Vermant, Dorina M. Opris; "Rapid Manufacturing of High‐Permittivity Dielectric Elastomer Actuator Fibers"; Advanced Materials Technologies, 2025-2-8

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