Un nuovo polimero ferroelettrico che converte in modo efficiente l’energia elettrica in deformazione meccanica è stato sviluppato dai ricercatori dell’Università della Pennsylvania.
L’applicazione innovativa rappresenta una nuova frontiera nella robotica, che potrebbe portare alla realizzazione di robot più simili agli esseri viventi. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature Materials
Questo materiale, che mostra il potenziale per l’uso in dispositivi medici e robotica, supera i tradizionali limiti. I ricercatori hanno infatti migliorato le prestazioni creando un nanocomposito polimerico, riducendo significativamente la necessaria forza e ampliando le potenziali applicazioni.
Il nuovo tipo di polimero ferroelettrico è eccezionalmente efficace nel convertire l’energia elettrica in sollecitazione meccanica con un grande potenziale per applicazioni in dispositivi medici, robotica avanzata e sistemi di posizionamento di precisione.
La deformazione meccanica, il modo in cui un materiale cambia forma quando viene applicata una forza, è una proprietà importante, poiché tradizionalmente, questi materiali erano rigidi.
La ricerca ha dimostrato il potenziale dei nanocompositi polimerici ferroelettrici per superare i limiti dei tradizionali compositi polimerici piezoelettrici, offrendo una strada valida per lo sviluppo di attuatori morbidi 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 all’Università della Pennsylvania. “Ciò ci consentirebbe di avere materia soffice in grado di sopportare un carico elevato oltre a una grande sollecitazione. Quindi quel materiale sarebbe più una vera e propria imitazione del 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. 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 di energia elettrica in energia meccanica, può cambiare completamente proprietà come la sua forma, rendendoli utili come attuatori.
Lo studio è stato sostenuto in parte dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Questa proprietà dei materiali ferroelettrici, insieme a un elevato livello di flessibilità, costi ridotti rispetto ad altri materiali ferroelettrici e peso ridotto, detiene un grande interesse per i ricercatori nel campo in crescita della robotica morbida, la progettazione di robot con parti flessibili e l’elettronica.
“In questo studio, abbiamo proposto soluzioni a due grandi sfide nel campo dell’azionamento dei materiali morbidi”, ha affermato Wang. “Uno è come migliorare la forza dei materiali morbidi. Sappiamo che i materiali ad attuazione morbida che sono polimeri hanno una maggiore deformazione, ma generano molta meno forza rispetto alle ceramiche piezoelettriche.
La seconda sfida è che un attuatore in polimero ferroelettrico necessita tipicamente di un campo di azionamento molto elevato, che è una forza che impone un cambiamento di forma in un attuatore.
La soluzione proposta per migliorare le prestazioni dei polimeri ferroelettrici consisteva nello sviluppo di un nanocomposito di polimero ferroelettrico percolativo, una specie di adesivo microscopico attaccato al polimero. Incorporando le nanoparticelle in un tipo di polimero, il fluoruro di polivinilidene, i ricercatori hanno creato una rete interconnessa di poli all’interno del polimero.
“In genere, questa deformazione e forza nei materiali ferroelettrici sono correlate tra loro, in una relazione inversa”, ha detto Wang. “Ora possiamo integrarli insieme in un unico materiale e abbiamo sviluppato un nuovo approccio per guidarlo utilizzando l’effetto Joule(https://it.wikipedia.org/wiki/Effetto_Joule). Poiché il campo di guida sarà molto più basso, meno del 10%, ecco perché questo nuovo materiale può essere utilizzato per molte applicazioni che richiedono un campo di guida basso per essere efficace, come dispositivi medici, dispositivi ottici e robotica morbida. “
