Uma equipa de investigação liderada pelos professores Stefan Seelecke e Paul Motzki, da Universidade do Sarre, está a utilizar um filme altamente versátil, com uma espessura semelhante à do filme plástico doméstico, para conferir novas funcionalidades aos objetos e, ao mesmo tempo, poupar energia. Quando aplicado em tecidos vestíveis, este filme pode mover-se e pressionar a pele, proporcionando feedback tátil que melhora a experiência dos jogos de realidade virtual, permitindo aos jogadores sentir texturas, impactos e outras sensações físicas. Integrado numa luva industrial, o filme de polímero fino responde aos movimentos da mão e dos dedos do operador, permitindo ao computador "entender" movimentos e gestos específicos. Aplicado sobre um ecrã de vidro plano, o filme cria a sensação transitória de um botão, interruptor ou deslizador sensível ao toque sob o dedo do utilizador. Altifalantes leves que consomem muito menos energia do que os convencionais, novos geradores de sinal e tecidos com cancelamento de ruído são alguns dos protótipos que estão a ser desenvolvidos por especialistas em sistemas de materiais inteligentes da Universidade do Sarre e do Centro de Mecatrónica e Tecnologia de Automação de Saarbrücken (ZeMA).
Mas como é que dão vida a estes filmes? “Cada lado do filme é revestido com uma camada eletricamente condutora”, explica Paul Motzki, professor de Sistemas de Materiais Inteligentes para Produção Inovadora na Universidade do Sarre e cientista-chefe e CEO da ZeMA. Quando os investigadores aplicam uma voltagem elétrica ao filme de polímero, estas camadas condutoras atraem-se, comprimindo o polímero e fazendo com que este se expanda lateralmente, aumentando assim a sua área superficial. “Ao variar o campo elétrico aplicado, podemos controlar o movimento do filme, criando essencialmente um atuador leve, mas altamente eficiente”, afirma Motzki. Os investigadores conseguem controlar com precisão o movimento destes filmes revestidos, conhecidos como elastómeros dielétricos (DEs), e podem fazê-los realizar movimentos de flexão lentos ou rápidos, ou vibrar a uma frequência desejada. Ou ainda, podem fazer com que o filme mantenha uma posição fixa e estacionária sem necessidade de um fornecimento contínuo de energia elétrica.
Utilizando estes filmes de polímeros eletroativos, a equipa de investigação está a desenvolver novos sistemas de acionamento (atuadores) que podem ser controlados sem sensores adicionais. “Pode ser atribuído um valor preciso de capacitância elétrica a cada deformação ou mudança de posição do filme. Os dados de capacitância podem mostrar-nos como o filme se deforma, por exemplo, quando é acariciado ou tocado com um dedo. Estes filmes de elastómero dielétrico são autossensíveis e podem funcionar como os seus próprios sensores de posição”, explica Paul Motzki. Os dados de medição também são utilizados para treinar modelos de IA que permitem aos investigadores programar o movimento do filme para flexionar, manter uma forma desejada ou oscilar a uma frequência necessária.
A equipa em Saarbrücken está a levar estes atuadores elastoméricos dielétricos a um novo patamar, abrindo um leque de novas aplicações. A nova geração de filmes pode ser controlada com maior precisão e vibrar a frequências ainda mais elevadas. Um dos objetivos da equipa é permitir que estes filmes flexíveis oscilem em frequências ultrassónicas. Um novo projeto, TransDES (estruturas de transístor baseadas em sistemas elastoméricos dielétricos flexíveis), financiado pelo Estado do Sarre através do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER) da UE, visa também inovar, desenvolvendo circuitos elastoméricos para aplicações de alta tensão. As placas de circuito impresso (PCBs) estão presentes na maioria dos dispositivos eletrónicos. A tecnologia que controla estes dispositivos, sejam liquidificadores ou smartphones, é geralmente soldada a PCBs planas e rígidas. A equipa de investigação em Saarbrücken está a tentar desenvolver PCB leves e flexíveis que possam ser utilizadas no futuro como alternativas flexíveis e de baixo custo às PCB convencionais. Os circuitos flexíveis que estão a ser desenvolvidos em Saarbrücken viriam também com atuadores miniaturizados integrados e os seus próprios sensores.
O projeto TransDES é uma colaboração entre a equipa de Paul Motzki no ZeMA e a equipa do Professor John Heppe na htw saar (Universidade de Ciências Aplicadas). A tecnologia que está a ser desenvolvida no Sarre é única no mundo e passa pela criação de filmes elastoméricos com novas camadas de elétrodos.
Até agora, as camadas eletricamente condutoras eram fabricadas através da aplicação de pó de carbono amorfo ("negro de carbono") na parte superior e inferior do filme de polímero através de um processo de serigrafia. No entanto, a resistência elétrica da camada de negro de fumo é de cerca de 10.000 ohms, o que é muito elevado se o filme for vibrar na gama de frequências ultrassónicas.
Ao substituir a camada de negro de carbono por um revestimento metálico ultrafino e mais condutor, os investigadores pretendem criar um atuador elastomérico (DE) capaz de ligar e desligar a velocidades ultrarrápidas. "Isto permitir-nos-á obter um desempenho ainda melhor do filme", explica o doutorando Sebastian Gratz-Kelly. "Mesmo a frequências muito elevadas, podemos controlar toda a superfície do filme, e não apenas partes dele." Mas o novo revestimento metálico ultrafino também significa que o atuador de película é mais eficiente em termos energéticos e as perdas de potência são menores, em parte devido à menor resistência de contacto entre o fio e a película. "E estamos a utilizar uma técnica especial a laser que nos permite obter um tamanho de estrutura muito mais pequeno dentro do revestimento", explica Gratz-Kelly. "Anteriormente, quando utilizávamos a serigrafia, a distância entre os elétrodos era de cerca de um centímetro. Agora, a distância entre os elétrodos é de apenas alguns micrómetros. E é isso que nos permite conceber circuitos elastoméricos flexíveis", acrescenta o professor Motzki.
O desafio reside no facto de que todo o filme necessita de ser sujeito a um estiramento significativo, mas a deformação do filme é dificultada pelo novo revestimento metálico. É aí que entra a equipa de John Heppe. Heppe, professor de Tecnologia de Sensores Físicos e Mecatrónica na htw saar, também lidera um grupo de investigação na ZeMA. As duas universidades estão a trabalhar em conjunto para traduzir as suas descobertas em soluções práticas para a indústria e o comércio. Para equilibrar as propriedades de uma camada condutora de metal sólido com as de um substrato de polímero flexível, a equipa de Heppe utiliza um processo especial para depositar a camada de metal sobre o elastómero. "Utilizámos uma técnica de deposição de materiais conhecida como pulverização catódica. A camada condutora que depositamos na superfície do elastómero tem apenas dez nanómetros de espessura — mais de mil vezes mais fina do que um cabelo humano", afirma Mario Cerino, investigador da equipa de John Heppe.
O "truque" da equipa é esticar o elastómero antes de depositar a camada metálica ultrafina. Quem já colou fita adesiva num balão insuflado conhece o efeito. Quando o ar é libertado do balão, a fita enruga. O mesmo acontece com o filme de elastómero. Quando o elastómero relaxa, a camada metálica contrai-se, formando rugas. "Ao fazermos isto, conseguimos uma resistência entre 50 e 100 ohms numa área de um centímetro quadrado, o que é significativamente menor do que antes", afirma Mario Cerino.
Os investigadores estão a utilizar filmes revestidos com metal para desenvolver transístores de silício energeticamente eficientes e de baixo custo. Os transístores são componentes eletrónicos que podem ser utilizados para ligar e desligar tensões e sinais elétricos, ou para os amplificar, mas, neste caso, a equipa quer desenvolver transístores baseados em filmes para comutar tensões elevadas. “Ao reduzir a resistência elétrica, podemos aumentar o fluxo de corrente, tal como uma torneira de cozinha deixa passar mais água quanto mais aberta estiver. Isto permite-nos alcançar um comutação de alta tensão com tempos de ciclo extremamente curtos, o que pode ser utilizado para controlar válvulas, bombas ou altifalantes”, explica Mário Cerino. “Aproveitamos uma propriedade bastante especial destes sistemas”, explica o professor John Heppe. “Se o filme revestido com metal for esticado mais do que durante a deposição por pulverização catódica, aparecerão fissuras na camada do elétrodo, levando a um grande aumento da resistência elétrica. Depois, se esticarmos o filme, aparecem fissuras. Se deixarmos o filme relaxar, as fissuras voltam a fechar-se e a estrutura enrugada regressa”. "Isto permite-nos passar de resistências muito baixas a resistências muito elevadas, comparável à utilização de um transístor como interruptor elétrico", explica o professor Heppe.
Uma demonstração da tecnologia apresenta um novo elemento sensor com uma película revestida de metal numa bracelete têxtil. Este painel tátil vestível é uma superfície de tecido sensível ao toque que reconhece formas desenhadas sobre ela. Quando alguém desliza o dedo sobre este tecido inteligente, a pressão e a direção do movimento são registadas. Em seguida, os algoritmos avançados de aprendizagem automática integrados permitem que o sistema reconheça as letras ou padrões desenhados.
Os especialistas em sistemas de materiais inteligentes, sediados em Saarbrücken, apresentarão também outros desenvolvimentos inovadores que utilizam estes elastómeros dielétricos com os seus próprios sensores, tais como têxteis inteligentes e atuadores que fornecem feedback háptico, válvulas e bombas energeticamente eficientes e atuadores de alto desempenho.
O estado do Sarre está a financiar o projecto TransDES com aproximadamente 500.000 € provenientes de fundos estatais e do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER).
Leia a publicação mais recente da equipa: https://doi.org/10.3390/ma17235993
Contexto:
A tecnologia de elastómeros dielétricos está a ser melhorada por estudantes de doutoramento que realizam investigação como parte dos seus projetos de tese, sob a supervisão dos professores Stefan Seelecke, Paul Motzki e John Heppe. Os resultados foram publicados em artigos em diversas revistas científicas. A investigação recebeu também apoio de diversas fontes. O financiamento da UE foi concedido através de uma bolsa de investigação Marie Curie, e o financiamento da Fundação Alemã de Investigação (DFG) foi concedido através do Programa Prioritário SPP KOMMMA da DFG. O Governo do Estado do Sarre forneceu apoio financeiro através dos projetos FEDER iSMAT e Multi-Immerse, e a ME Saar (Associação das Indústrias Metalúrgicas e Elétricas do Sarre) financiou um programa de investigação de doutoramento. Para facilitar a transferência da sua tecnologia de materiais inteligentes para os setores comercial e industrial, os investigadores fundaram a empresa mateligent GmbH, que também estará a expor no mesmo stand na Feira de Hannover deste ano.
