2.4
Aplicações de EAPs em robótica e bioengenharia
Desde a criação das primeiras imagens ligadas à robótica, ainda no campo da ficção, com nos trabalhos de Karel Capek1 e Isaac Asimov2, faz-se a idéia de robôs como sistemas pesados, compostos de partes muito rígidas, construídos com materiais metálicos, que realizam movi- mentos pouco suaves, e produzindo muitos ruídos através de seus motores e engrenagens. Uma possível explicação para essa idéia é que a maioria dos robôs, do imaginário histórico até as realizações dos tempos atuais, é construída e/ou revestida por materiais metálicos, e seus movi- mentos são obtidos por motores e junções elétricas. Esse tipo de concepção dessas máquinas limita seus movimentos e comprometem sua flexibilidade.
Os cientistas e engenheiros inspirados na biomimética buscaram constantemente a con- strução de robôs3que se assemelham com os seres vivos, uma vez que os seres vivos passaram por milhões de anos de evolução, sofrendo constante modificações em seus mecanismos, ob- tendo sempre uma melhor adaptação ao meio que habitam.
Atuadores baseados em motores elétricos e junções rotacionais, em dispositivos eletrome- cânicos, apresentam diversas desvantagens em certos tipos de aplicações, conforme discutido na seção 1.1. Uma proposta para contonar essas limitações e desvantagens é a substituição de atuadores baseados em motores elétricos por atuadores baseados em EAPs. Conforme visto nas seções 2.1 e 2.2, dispositivos construídos com esses materiais, além de leves, silenciosos e flexíveis, apresentam movimentos suaves. Estes movimentos podem ser observados mesmo quando o material se encontra em pequenas dimensões, uma vez que depende apenas da po- larização do material. Este fator permite a construção de atuadores de porte muito pequeno,
1Autor tcheco de teatro e novelas, escreveu um drama satírico, Robôs Universais Rossum - R.U.R., em 1921.
Foi a primeira vez que surgiu a palavra "robô" associada a máquinas autônomas (derivado da palavra tcheca "robo- ta" que significa "trabalho forçado") na história.
2Criador das leis da robótica (1942)
• 1aLei da robótica: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humano sofra algum mal;
• 2aLei da robótica: Um robô deve obedecer as ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos casos em que tais ordens contrariem a Primeira Lei;
• 3aLei da robótica: Um robô deve proteger sua própria existência desde que tal proteção não entre em conflito com a Primeira e Segunda Leis.
3A disciplina que aplicada conceitos de biomimética à robótica é chamada de "biônica" ou "robótica biomór-
2.4. APLICAÇÕES DE EAPS EM ROBÓTICA E BIOENGENHARIA
possibilitando obter ainda dispositivos compostos por múltiplos atuadores de pequeno porte, de maneira semelhante à estrutura dos músculos naturais.
Outro fator decisivo na escolha de EAPs para construção de atuadores é seu consumo energético, i.e., os níveis de tensão e corrente elétricas necessários para seu acionamento. No caso dos EAPs elétricos, apesar dos altos níveis de tensão elétrica, a corrente elétrica que passa pela fase polimérica é praticamente nula, resultando em baixo consumo energético. Já no caso dos EAPs iônicos, apesar da baixa resistência elétrica da fase polimérica, estes exigem baixas tensões de ativação para realizar grandes deformações.
Atuadores com essas características podem trazer várias vantagens e inovações para pro- jetos em robótica. Um fator decisivo para a escolha de atuadores baseados de EAPs para apli- cações em robótica, principalmente com inspiração biomimética, é a sua flexibilidade. Um problema ainda com poucas soluções alternativas é a construção de plataformas robóticas com os sistemas de locomoção e manipulação adaptados a terrenos irregulares. A maioria das soluções para este problema é inspirada em seres vivos, porém, devido à construção baseada de atuadores como motores elétricos, as plataformas atuais possuem muitas restrições ao tipo de terreno em que irão se locomover por não possuírem grande flexibilidade em seus movimen- tos. Mesmo os mais adaptados, tais como os ilustrados em 2.17, 2.18 e 2.19 não apresentam uma total adaptação a qualquer tipo de terreno explorado, além dos problemas vinculados à disponibilidade de energia e das limitações de adaptação e de velocidade. Atuadores baseados de EAPs podem tornar estas plataformas robóticas mais leves e flexíveis, somando mais graus de liberdade aos mecanismos, além de permitir movimentos mais suaves.
Outra inovação que um atuador baseado em EAP pode favorecer é a miniaturização dos dispositivos. Vários projetos acadêmicos, e também militares, buscam construir plataformas robóticas miniaturizadas, que se assemelhem com insetos voadores para fins de vigilância, ex- ploração de terrenos hostis e espionagem (figura 2.20). Para este projeto são necessários atu- adores leves, para viabilizar o vôo e flexíveis, para viabilizar missões complexas que incluem o vôo e questões vinculadas à manobrabilidade.
Atuadores baseados em EAP também despertam o interesse para aplicações voltadas à bioengenharia, na construção de próteses e órgãos artificiais. Nesse tipo de utilização do mate-
2.4. APLICAÇÕES DE EAPS EM ROBÓTICA E BIOENGENHARIA
Figura 2.17: Foto do robô octópode Dante desenvolvido pela NASA (Na-
tional Aeronautics and Space Administration) em conjunto com a Carnegie Mel- lon University e o observatório de vulcões do Alaska, para inspeções vulcânicas (fonte:ipp.nasa.gov/innovation/Innovation25/DanteII.html).
Figura 2.18: Robô quadrúpede Aibo, inspirado num cão, com capacidade de loco- moção autônoma e de interagir com o usuário respondendo com gestos e sons [19]. (fonte:www.sony.jp/products/Consumer/aibo)
rial, é preciso estudar a biocompatibilidade da prótese com o corpo do indivíduo, e também é importante avaliar questões vinculadas à estética e eficiência. Para o caso específico de mem- bros artificiais, quando acionados por motores elétricos e pistões, têm a sua estética desfavore- cida, pois não são capazes de realizar movimentos suficientemente suaves e parecidos com os membros naturais, além do peso excessivo devido à massa dos motores, junções e engrena- gens, o que pode acarretar desconforto e problemas para o implantado. Para o caso específico dos órgãos artificiais, os EAPs são materiais elásticos, que permitem a construção de órgãos
2.4. APLICAÇÕES DE EAPS EM ROBÓTICA E BIOENGENHARIA
Figura 2.19: Primeiro robô humanóide desenvolvido pela Honda em 2001, ASIMO, que possui capacidade de locomoção bípede, visão, olfato, tato e voz [19]. (fonte:world.honda.com/ASIMO)
Figura 2.20: Biomimetismo de libélula. O objetivo desses robôs é realizar movimentos seme- lhantes à libélulas para fins de vigilância e espionagem
artificiais macios e flexíveis.
Outra inovação da bioengenharia que busca atuadores com as propriedades dos EAPs é a construção de dispositivos para procedimentos cirúrgicos. No caso específico dos proced- imentos de incisão, a falta de maleabilidade dos instrumentos cirúrgicos é um fator crítico, principalmente quando a incisão tem como objetivo local de acesso mais difícil dentro do corpo humano. Como conseqüência dessa falta de maleabilidade dos instrumentos de cirurgia atuais, o corte da incisão necessita ser maior para permitir o acesso ao local de intervenção cirúrgica, levando a riscos maiores e tempo maior para recuperação. A figura 2.21 mostra o projeto de um instrumento de cirurgia baseado de EAPs: MEMICA (MEchanical MIrroring using Con- trolled stiffness and Actuators). O equipamento pode ser manuseado a distância, de modo que o médico cirurgião fique fisicamente distante do paciente. Em um dos terminais encontra-se o médico cirurgião que utiliza luvas equipadas com vários sensores de movimento (inclusive sen- sores de EAPs) e telas conectadas às câmeras focando a área de incisão no paciente. No outro
2.4. APLICAÇÕES DE EAPS EM ROBÓTICA E BIOENGENHARIA
terminal onde o paciente está situado, encontram-se câmeras e braços robóticos à base de aço cirúrgico e EAPs para realizar a cirurgia. Assim, os atuadores robóticos se movem de acordo com os movimentos detectados pela luva em que o médico utiliza, permitindo cirurgias on-line.
Capítulo 3
Compósitos de polímero iônico e metal
Esta dissertação está focada no estudo sobre métodos de preparação e caracterização de um tipo específico de polímeros eletroativos, os compósitos de polímero iônico e metal, os IPMCs (do inglês Ionomeric Polymer-Metal Composites). Estes são materiais inovadores pertencentes à classe dos EAPs iônicos. Os IPMCs destacam-se, entre as alternativas para aplicação na construção de dispositivos de produção de movimento e força, em razão de certas propriedades e características do seu comportamento eletromecânico. Esses compósitos apresentam resposta quando submetidos a baixos níveis de estímulos elétricos, são materiais com massa específica relativamente baixa, obtêm relação força-tensão elevada (considerando-se os EAPs iônicos), funciona em meio tanto hidratado quanto seco, têm um mecanismo de dobramento eficiente, e apresentam um tempo de resposta rápido.
A escolha por IPMCs como material a ser estudado se deve, principalmente à suas ca- racterísticas funcionais, particularmente adequadas às aplicações baseadas no biomimetismo, tais como em bioengenharia voltada a próteses ou dispositivos robóticos. Uma facilidade, tam- bém levada em consideração nessa escolha do material, é a farta disponibilidade de referências bibliográficas e de reagentes para a síntese do material. Considerando a hipótese de desen- volvimento de um implante biomecânico, é possível obter, a partir de um IPMC, dispositivos leves e flexíveis que facilitam a adaptação do organismo vivo à prótese. Além disso, como os IPMCs são ativados com baixos níveis de tensões elétricas (conforme descrito na Seção 2.2), diminuem-se os riscos de problemas com possíveis choques elétricos no corpo do eventual pa-
3.1. MECANISMO DE FUNCIONAMENTO DOS IPMC
ciente, e facilita-se a construção do dispositivo.
Para as aplicações em robótica, outra característica dos dispositivos construídos a partir de IPMCs os torna uma opção muito interessante. Trata-se da possibilidade de miniaturiza- ção desses dispositivos atuadores, que permitem pensar em várias aplicações na robótica, tais como mini robôs de monitoramento e espionagem. A baixa massa específica do material e os movimentos suaves podem viabilizar projetos de robôs inspirados em pequenos insetos, nos quais seriam implantadas micro-câmeras para captação de imagens de monitoramento. Ainda no contexto dessa análise de adequação do material, o fato de realizar uma plataforma robótica leve abre a possibilidade de implantação de mecanismos semelhantes às asas de insetos para a construção de pequenos robôs voadores1(figura 3.1).
Figura 3.1: Mosca robótica, desenvolvida pela Universidade de Harvard.
3.1
Mecanismo de funcionamento dos IPMC
Os IPMCs são basicamente compostos por uma estrutura de filmes em camadas, formando geralmente uma fita. A camada central consiste de uma membrana fina de um polímero iônico (usualmente perfluoretilenossulfonatos), com espessuras da ordem de 200µm. Sobre essa ca- mada central, em suas faces, estão duas camadas metálicas com espessura entre 5 e 10µm. Essas camadas têm a função de eletrodos de acionamento do IPMC.
1Um grupo de pesquisa conseguiu construir um robô voador de 60mg e envergadura de 3cm, ilustrado na figura
3.1. Mas este protótipo ainda não realiza manobras devido a falta de maleabilidade dos atuadores. A substituição destes atuadores por outros baseados de IPMC poderiam permitir estas manobras devido a flexibilidade do material, além de extremamente leves.
3.1. MECANISMO DE FUNCIONAMENTO DOS IPMC
Para a camada polimérica, utilizam-se membranas de trocas protônicas (Próton Exchange Membrane - PEM). Dentre os materiais adequados para essa composição, encontram-se o Nafion R (da DuPont), Flemion R (da Asahi Glass) ou Aciplex R (da Asahi Chemical). As fór-
mulas químicas estruturais de cada um desses materiais são mostradas na figura 3.2.
Figura 3.2: Fórmulas estruturais dos polímeros (a) Nafion R, (b) Flemion R e (c) Aciplex R [5]
Para compor os eletrodos, através de processos de deposição, devem ser escolhidos ma- teriais metálicos que suportem muitos ciclos de dobramento, para que o dispositivo possa ter vida útil compatível com sua aplicação. Como pode ser verificados em diversos trabalhos sobre construção de dispositivos à base de IPMC [5, 20, 21, 22, 10, 23, 24, 25], há uma preferência na deposição de metais nobres, tais como ouro ou platina, que apresentam características atraentes em termos de condutividade, maleabilidade e resistência à oxidação.
Quando uma diferença de potencial é aplicada nos eletrodos de uma amostra em fita de IPMC hidratado, esses eletrodos metálicos são polarizados com cargas opostas ativando um campo elétrico sobre a camada central polimérica. A deformação mecânica do dispositivo de IPMC acontece em razão de dois fenômenos diferentes. Um dos mecanismos de deformação se deve ao movimento de cátions livres em direção ao cátodo. As membranas de trocas protônicas são polímeros iônicos com estrutura composta por cátions (geralmente NH4 +, Na+, K+ ou Li+), e esses cátions possuem raios muito pequenos quando comparados com as largas cadeias carbônicas aniônicas. Por causa dessa diferença significativa de dimensões, os cátions apre- sentam uma propriedade de mobilidade, enquanto que os grupos aniônicos são fixos dentro da matriz polimérica. Além disso, nas regiões onde os grupos perfluorados se unem com a cadeia carbônica nessas estruturas químicas, existem sítios de trocas catiônicas, conforme descrito na seção 2.2.2. Estes sítios tornam o material polimérico permeável à cátions e estruturas polares, tais como moléculas de água. Quando ativado, i. e., quando é submetido a uma tensão elétrica, o eletrodo carregado negativamente (cátodo) atrai cátions, conforme descreve a Lei de Coulomb.