I muscoli artificiali si flettono per la prima volta: innovazione dei polimeri ferroelettrici nella robotica

Dec 15, 2023

Di Penn State University, 8 luglio 2023

Attuazione di polimeri ferroelettrici guidata dal riscaldamento Joule. Credito: Qing Wang

I ricercatori della Penn State hanno sviluppato un nuovo polimero ferroelettrico che converte in modo efficiente l’energia elettrica in sollecitazione meccanica. Questo materiale, che mostra il potenziale per l’uso nei dispositivi medici e nella robotica, supera i tradizionali limiti piezoelettrici. I ricercatori hanno migliorato le prestazioni creando un nanocomposito polimerico, riducendo in modo significativo l'intensità del campo motore necessario ed espandendo le potenziali applicazioni.

Un nuovo tipo di polimero ferroelettrico che è eccezionalmente efficace nel convertire l'energia elettrica in sollecitazione meccanica è promettente come controller di movimento o "attuatore" ad alte prestazioni con un grande potenziale per applicazioni in dispositivi medici, robotica avanzata e sistemi di posizionamento di precisione, secondo uno studio team di ricercatori internazionali guidati dalla Penn State.

La deformazione meccanica, ovvero il modo in cui un materiale cambia forma quando viene applicata una forza, è una proprietà importante per un attuatore, ovvero qualsiasi materiale che cambia o si deforma quando viene applicata una forza esterna come l'energia elettrica. Tradizionalmente, questi materiali per attuatori erano rigidi, ma attuatori morbidi come i polimeri ferroelettrici mostrano maggiore flessibilità e adattabilità ambientale.

La ricerca ha dimostrato il potenziale dei nanocompositi polimerici ferroelettrici nel superare i limiti dei tradizionali compositi polimerici piezoelettrici, offrendo una strada promettente per lo sviluppo di attuatori morbidi con prestazioni di deformazione e densità di energia meccanica migliorate. Gli attuatori morbidi sono particolarmente interessanti per i ricercatori di robotica per la loro forza, potenza e flessibilità.

"Potenzialmente ora possiamo avere un tipo di robotica morbida che chiamiamo muscolo artificiale", ha affermato Qing Wang, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State e co-autore corrispondente dello studio recentemente pubblicato sulla rivista Nature Materials. “Ciò ci consentirebbe di avere una materia soffice in grado di sopportare un carico elevato oltre a una grande deformazione. Quindi quel materiale sarebbe più un’imitazione del muscolo umano, uno che è vicino al muscolo umano”.

Tuttavia, ci sono alcuni ostacoli da superare prima che questi materiali possano mantenere le loro promesse e nello studio sono state proposte potenziali soluzioni a questi ostacoli. I ferroelettrici sono una classe di materiali che dimostrano una polarizzazione elettrica spontanea quando viene applicata una carica elettrica esterna e le cariche positive e negative nei materiali si dirigono verso poli diversi. La deformazione di questi materiali durante la transizione di fase, in questo caso la conversione dell'energia elettrica in energia meccanica, può modificare completamente proprietà come la forma, rendendoli utili come attuatori.

“Potenzialmente ora possiamo avere un tipo di robotica morbida che chiamiamo muscolo artificiale”.

— Qing Wang, professore di scienza e ingegneria dei materiali

Un'applicazione comune di un attuatore ferroelettrico è una stampante a getto d'inchiostro, in cui la carica elettrica modifica la forma dell'attuatore per controllare con precisione i minuscoli ugelli che depositano l'inchiostro sulla carta per formare testo e immagini.

While many ferroelectric materials are ceramics, they also can be polymers, a class of natural and synthetic materials made of many similar units bonded together. For example, DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person’s body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"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./p>

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 UniversityFounded in 1887 and part of the University of North Carolina system, North Carolina State University (also referred to as NCSU, NC State, or just State) is a public land-grant research university in Raleigh, North Carolina. NC State offers a wide range of academic programs and disciplines, including the humanities, social sciences, natural sciences, engineering, business, and education. It is known for its strong programs in engineering, science, and technology and is a leader in research and innovation. It forms one of the corners of the Research Triangle together with Duke University in Durham and The University of North Carolina at Chapel Hill. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"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./p>