Innovación de polímeros electroactivos en robótica

Investigadores de Penn State han desarrollado un nuevo polímero ferroeléctrico que convierte eficientemente la energía eléctrica en tensión mecánica. Este material, que muestra potencial para su uso en dispositivos médicos y robótica, supera las limitaciones de la piezoelectricidad convencional. Los investigadores mejoraron el rendimiento mediante la creación de un nanocompuesto de polímero, que reduce en gran medida la fuerza del campo impulsor necesaria, ampliando las aplicaciones potenciales.

Según un equipo, un nuevo tipo de polímero ferroeléctrico que es excepcionalmente bueno para convertir la energía eléctrica en estrés mecánico se muestra prometedor como un controlador o «actuador» de alto rendimiento con un gran potencial para aplicaciones en dispositivos médicos, robótica avanzada y sistemas de posicionamiento preciso. de investigadores internacionales dirigidos por el estado de Pensilvania.

El estrés mecánico, cómo un material cambia de forma cuando se aplica una fuerza, es una propiedad importante del operador y es cualquier material que cambiará o se deformará cuando se aplique una fuerza externa como la energía eléctrica. Tradicionalmente, los materiales de estos actuadores han sido rígidos, pero los actuadores blandos, como los polímeros ferroeléctricos, muestran una mayor flexibilidad y adaptabilidad al entorno.

La investigación demostró el potencial de los nanocompuestos de polímeros ferroeléctricos para superar las limitaciones de los compuestos de polímeros piezoeléctricos convencionales, proporcionando un medio prometedor para desarrollar actuadores blandos con un rendimiento de fatiga y una densidad de energía mecánica mejorados. Los actuadores blandos son de particular interés para los investigadores de robótica debido a su fuerza, potencia y flexibilidad.

dijo Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State y coautor del estudio publicado recientemente en la revista. materiales de la naturaleza. Esto nos permitirá obtener un material blando que puede soportar una gran carga, así como una gran tensión. Entonces, este material estará más cerca de una simulación de un músculo humano, que está cerca de un músculo humano”.

Sin embargo, hay algunos obstáculos que deben superarse antes de que estos materiales puedan cumplir su promesa, y en el estudio se han propuesto soluciones potenciales para estos obstáculos. Los ferroeléctricos son una clase de materiales que presentan polarización eléctrica espontánea cuando se aplica una carga eléctrica externa y las cargas positivas y negativas de los materiales se trasladan a diferentes electrodos. La tensión en estos materiales durante una transición de fase, en este caso la conversión de energía eléctrica en energía mecánica, puede cambiar propiedades al igual que su forma, haciéndolos útiles como actuadores.

«Es probable que ahora tengamos algún tipo de robot blando al que nos referimos como músculos artificiales».

– Qing Wang, profesor de ciencia e ingeniería de materiales

Una aplicación común del actuador eléctrico es en una impresora de inyección de tinta, donde una carga eléctrica cambia la forma del actuador para controlar con precisión las diminutas boquillas que depositan tinta en el papel para formar texto e imágenes.

Si bien muchos materiales ferroeléctricos son cerámicos, también pueden ser polímeros, que son una clase de materiales naturales y sintéticos hechos de muchas unidades similares unidas entre sí. por ejemplo,[{» attribute=»»>DNA is a polymer, as is nylon. An advantage of ferroelectric polymers is they exhibit a tremendous amount of the electric-field-induced strain needed for actuation. This strain is much higher than what is generated by other ferroelectric materials used for actuators, such as ceramics.

This property of ferroelectric materials, along with a high level of flexibility, reduced cost compared to other ferroelectric materials, and low weight, holds great interest for researchers in the growing field of soft robotics, the design of robots with flexible parts and electronics.

“In this study, we proposed solutions to two major challenges in the soft material actuation field,” said Wang. “One is how to improve the force of soft materials. We know soft actuation materials that are polymers have the largest strain, but they generate much less force compared to piezoelectric ceramics.”

The second challenge is that a ferroelectric polymer actuator typically needs a very high driving field, which is a force that imposes a change in the system, such as the shape change in an actuator. In this case, the high driving field is necessary to generate the shape change in the polymer required for the ferroelectric reaction needed to become an actuator.

The solution proposed to improve the performance of ferroelectric polymers was developing a percolative ferroelectric polymer nanocomposite — a kind of microscopic sticker attached to the polymer. By incorporating nanoparticles into a type of polymer, polyvinylidene fluoride, the researchers created an interconnected network of poles within the polymer.

“…this new material can be used for many applications that require a low driving field to be effective, such as medical devices, optical devices and soft robotics.”

— Qing Wang, professor of materials science and engineering

This network enabled a ferroelectric phase transition to be induced at much lower electric fields than would normally be required. This was achieved via an electro-thermal method using Joule heating, which occurs when electric current passing through a conductor produces heat. Using the Joule heating to induce the phase transition in the nanocomposite polymer resulted in only requiring less than 10% of the strength of an electric field typically needed for ferroelectric phase change.

“Typically, this strain and force in ferroelectric materials are correlated with each other, in an inverse relationship,” Wang said. “Now we can integrate them together into one material, and we developed a new approach to drive it using the Joule heating. Since the driving field is going to be much lower, less than 10%, this is why this new material can be used for many applications that require a low driving field to be effective, such as medical devices, optical devices, and soft robotics.”

Reference: “Electro-thermal actuation in percolative ferroelectric polymer nanocomposites” by Yang Liu, Yao Zhou, Hancheng Qin, Tiannan Yang, Xin Chen, Li Li, Zhubing Han, Ke Wang, Bing Zhang, Wenchang Lu, Long-Qing Chen, J. Bernholc and Qing Wang, 25 May 2023, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-023-01564-7

Along with Wang, other researchers in the study include from Penn State Yao Zhou, postdoctoral scholar in materials science and engineering; Tiannan Yang, assistant research professor with the Materials Research Institute; Xin Chen, postdoctoral researcher in materials science and engineering; Li Li, research assistant in materials science and engineering; Zhubing Han, graduate research assistant in materials science and engineering; Ke Wang, associate research professor with the Materials Research Institute; and Long-Qing Chen, Hamer Professor of Materials Science and Engineering. From North Carolina State University, other researchers in the study include Hancheng Qin, graduate research assistant in physics; Bing Zhang, graduate student in physics; Wenchang Lu, research professor in physics; and Jerry Bernholc, Drexel Professor in Physics. From Huazhong University of Science and Technology in Wuhan, China, other researchers in the study include co-corresponding author Yang Liu, a former postdoctoral scholar in materials science and engineering at Penn State, now a professor of materials science and engineering.

The study was supported in part by the United States Department of Energy.