Los investigadores aplican una tensión eléctrica e inmediatamente la película de polímero comienza a moverse. Con solo 50 micrómetros de grosor, esta membrana ultrafina tiene aproximadamente el mismo grosor que un cabello humano. Al ajustar la tensión eléctrica aplicada, los investigadores del equipo del profesor Paul Motzki pueden hacer que la película realice potentes movimientos pulsantes, vibre a la frecuencia o amplitud deseadas, suba y baje con un movimiento ondulatorio suave, o mantenga una posición fija. Lo que puede parecer un simple truco de fiesta es, de hecho, la base de una nueva clase de actuadores en miniatura.
Dado que el movimiento de la película se puede controlar con precisión, se puede utilizar para ejercer fuerzas de empuje y tracción localizadas, generando movimientos que, de otro modo, requerirían motores o sistemas de aire comprimido —ambos necesitan espacio, energía y mantenimiento—. El equipo de Saarbrücken está integrando estas películas inteligentes en bombas de vacío capaces de extraer aire o líquido de una cámara. Las bombas de vacío son omnipresentes e indispensables en aplicaciones industriales que van desde la maquinaria de envasado y las pinzas robóticas hasta la tecnología médica.
Crear un vacío sin aire comprimido y sin motor
La tecnología de láminas que se está desarrollando en Saarbrücken elimina la necesidad de componentes pesados y permite diseños de bombas ligeros y compactos. «Utilizando elastómeros dieléctricos —como se conoce a estas láminas poliméricas que responden a la electricidad— podemos adaptar la geometría de las bombas a requisitos específicos. Esto significa que podemos crear formas que no serían técnicamente viables con los enfoques convencionales. Por ejemplo, podemos producir diseños extremadamente finos y planos comparables a la forma de un smartphone», afirma Paul Motzki, profesor de Sistemas de Materiales Inteligentes en la Universidad del Sarre y director científico y director general del Centro de Tecnología Mecatrónica y de Automatización de Saarbrücken (ZeMA). Las bombas basadas en láminas funcionan de forma fiable en entornos compactos y sensibles. Una ventaja importante de la tecnología de elastómeros dieléctricos es que no necesita materiales caros o difíciles de obtener, como el cobre o los elementos de tierras raras. Y, dado que funciona sin aceite lubricante, es ideal para aplicaciones en salas blancas y entornos estériles. «Dependiendo del modo de funcionamiento, nuestras bombas de membrana también pueden ser muy eficientes energéticamente», afirma Motzki. Además, sus bombas funcionan de forma muy silenciosa, una ventaja que podría reducir significativamente los niveles de ruido de fondo en las naves de producción y las líneas de montaje.
Cuantos más actuadores basados en película se utilicen, mayor será la potencia obtenida
En la Feria de Hannover de este año, el equipo de Paul Motzki presenta un nuevo prototipo que ilustra cómo se puede escalar su tecnología. Su último prototipo de bomba de vacío está equipado con un accionamiento doble. El año pasado, el equipo presentó un accionamiento de película única en una sola cámara de bombeo. Este año, presentan un prototipo de accionamiento doble que cuenta con dos actuadores de película en dos cámaras de bombeo. «Podemos conectar los dos actuadores en paralelo o en serie, aumentando la presión, el caudal volumétrico y la potencia total», explica Motzki.
Los dos accionamientos basados en láminas pueden funcionar en fases opuestas, con un lado en modo de aspiración, mientras que el otro descarga. Esto evita la caída de rendimiento y permite que la bomba ofrezca caudales más altos y una mayor capacidad de presión, generando un vacío continuo rápidamente y sin ciclos. El nuevo diseño de doble actuador ofrece una notable mejora en el rendimiento. Mientras que la bomba de una sola cámara era capaz de alcanzar una presión absoluta de aproximadamente 300 mbar, el nuevo sistema puede bajar hasta por debajo de los 200 mbar absolutos. «Y podemos conectar membranas adicionales en serie o en paralelo para adaptar y potenciar aún más el rendimiento, dependiendo de las necesidades de la aplicación», afirma Motzki.
Otro paso hacia la implantación industrial
«La nueva versión de nuestra bomba supone un paso más hacia el uso industrial», afirma Paul Motzki. Él y su equipo llevan años desarrollando su tecnología de elastómeros dieléctricos en diversos proyectos de investigación. Un elastómero dieléctrico es una fina película de polímero, recubierta por ambos lados con una capa conductora de electricidad altamente flexible. Cuando los investigadores aplican un voltaje a la película de polímero elastomérico, estas capas conductoras de electricidad se atraen entre sí, comprimiendo la película y provocando que se expanda hacia los lados, lo que aumenta su superficie. «Al variar el campo eléctrico, podemos controlar el movimiento de la película de elastómero con gran precisión, haciendo que realice movimientos de flexión continuamente variables o que pulse o se flexione a una frecuencia y amplitud determinadas», explica Motzki. O bien pueden hacer que la película mantenga una posición fija sin necesidad de un suministro continuo de energía eléctrica, ya que el elastómero dieléctrico solo consume energía cuando se mueve activamente. Los investigadores de Saarbrücken utilizan la película como accionamiento mecánico: un motor en miniatura que no requiere sensores adicionales.
«Estas películas son autosensibles», afirma Paul Motzki. Esta capacidad de autosensibilidad es inherente a los elastómeros dieléctricos: incluso el más mínimo movimiento altera la capacitancia eléctrica medida de la película. Cada deformación de la película produce una firma de medición característica, que los ingenieros pueden utilizar para cuantificar con precisión la configuración espacial de la película en cualquier momento. Al combinar los datos de capacitancia con el aprendizaje automático basado en IA, el equipo ha desarrollado una unidad de control capaz de predecir y programar secuencias de movimiento y, de este modo, controlar con precisión cómo se deforma la película de elastómero. Los mismos datos también pueden utilizarse para la monitorización del estado: indican, por ejemplo, si un objeto extraño está bloqueando la bomba o si aún no se ha alcanzado un vacío seguro.
Además de desarrollar bombas de vacío sin motor, el equipo de Motzki está utilizando esta tecnología para una amplia gama de otras aplicaciones, desde pinzas robóticas y altavoces hasta textiles inteligentes y sistemas de retroalimentación háptica para pantallas de teléfonos inteligentes. Por ejemplo, el equipo ha desarrollado un guante industrial inteligente que puede responder a cómo se mueven la mano y los dedos del operador y comunicar esta información a un ordenador.
En la Feria de Hannover, el equipo de investigación busca socios con los que desarrollar aplicaciones que permitan llevar al mercado su tecnología de bombas basada en láminas.
Antecedentes
La tecnología de elastómeros dieléctricos sigue siendo objeto de exploración y desarrollo en numerosos proyectos de investigación de máster y doctorado. Los resultados se han publicado en forma de artículos en diversas revistas científicas. El trabajo de investigación también ha recibido apoyo de numerosas fuentes, entre ellas la UE y la Fundación Alemana para la Investigación (DFG). El Gobierno del estado del Sarre ha proporcionado apoyo financiero a través de los proyectos del FEDER iSMAT y Multi-Immerse. También se ha recibido financiación adicional de ME Saar (la Asociación de Industrias Metalúrgicas y Eléctricas del Sarre).
Para facilitar la transferencia de los resultados de su investigación a los sectores comercial e industrial, los investigadores de la Universidad del Sarre crearon la empresa «mateligent GmbH», que también expone en el mismo stand en la Feria de Hannover de este año.
