Los investigadores han demostrado una "flexoelectricidad gigante" en elastómeros blandos que podría mejorar el rango de movimiento del robot y hacer de los marcapasos autoamplificados una posibilidad real. En un artículo publicado este mes en el Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, Los científicos de la Universidad de Houston y el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea explican cómo diseñar sustancias aparentemente ordinarias como el caucho de silicona en una central eléctrica.

¿Qué tienen en común los siguientes elementos:un dispositivo médico implantado autoalimentado, un robot suave parecido a un humano y cómo escuchamos el sonido? La respuesta a por qué estas dos tecnologías y fenómenos biológicos dispares son similares radica en cómo los materiales de los que están hechos pueden cambiar significativamente de tamaño y forma, o deformarse, como una goma elástica, cuando se envía una señal eléctrica.

Algunos materiales de la naturaleza pueden realizar esta función, actuando como un convertidor de energía que se deforma cuando se envía una señal eléctrica o suministra electricidad cuando se manipula. Esto se llama piezoelectricidad y es útil para crear sensores y electrónica láser, entre varios otros usos finales. Sin embargo, Estos materiales naturales son raros y consisten en estructuras cristalinas rígidas que a menudo son tóxicas. tres inconvenientes distintos para las aplicaciones humanas.

Los polímeros artificiales ofrecen pasos para aliviar estos puntos débiles al eliminar la escasez de material y crear polímeros blandos capaces de doblarse y estirarse. conocidos como elastómeros blandos, pero anteriormente esos elastómeros blandos carecían de atributos piezoeléctricos significativos.

En un artículo publicado este mes en el Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias, Kosar Mozaffari, estudiante de posgrado en la Facultad de Ingeniería Cullen de la Universidad de Houston; Pradeep Sharma, M.D. Anderson, profesor y director del departamento de ingeniería mecánica de la Universidad de Houston y Matthew Grasinger, Investigador Postdoctoral LUCI en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, ofrecer una solución.

"Esta teoría crea una conexión entre la electricidad y el movimiento mecánico en materiales blandos similares al caucho, ", dijo Sharma." Si bien algunos polímeros son débilmente piezoeléctricos, no hay materiales piezoeléctricos como el caucho realmente blando ".

El término para estos elastómeros blandos multifuncionales con mayor capacidad es "flexoelectricidad gigante". En otras palabras, estos científicos demuestran cómo aumentar el rendimiento flexoeléctrico en materiales blandos.

"La flexoelectricidad en la mayoría de los materiales de caucho blando es bastante débil, "dijo Mozaffari, "pero al reorganizar las cadenas en celdas unitarias a nivel molecular, nuestra teoría muestra que los elastómeros blandos pueden alcanzar una mayor flexoelectricidad de casi 10 veces la cantidad convencional ".

Los usos potenciales son profundos. Los robots similares a humanos hechos con elastómeros blandos que contienen propiedades flexoeléctricas aumentadas serían capaces de una mayor amplitud de movimiento para realizar tareas físicas. Los marcapasos implantados en corazones humanos y que utilizan baterías de litio podrían, en cambio, ser autoalimentados ya que el movimiento natural genera energía eléctrica.

La mecánica de los elastómeros blandos que se generan y manipulan mediante señales eléctricas reproduce una función similar observada en los oídos humanos. Los sonidos golpean el tímpano que luego vibra y envía señales eléctricas al cerebro, que los interpreta. En este caso, El movimiento puede manipular elastómeros blandos y generar electricidad para alimentar un dispositivo por sí solo. Este proceso de autogeneración de energía por movimiento aparece como un paso adelante de una batería típica.

Las ventajas de esta nueva teoría van más allá de eso. En el proceso de investigación, surgió la capacidad de diseñar una celda unitaria que sea invariante en estiramiento, o que permanezca sin cambios bajo una transformación de estiramiento no deseada.

"Para algunas aplicaciones, necesitamos que se generen ciertas cantidades de electricidad independientemente de la deformación por estiramiento, mientras que con otras aplicaciones deseamos tanta generación de electricidad como sea posible, y hemos diseñado para ambos casos ", dijo Mozaffari.

"En nuestra investigación, Descubrimos un método para hacer invariante el estiramiento de una celda unitaria. La naturaleza sintonizable de la dirección flexoeléctrica puede ser útil para producir robots y sensores suaves ".

En otras palabras, la cantidad de energía eléctrica generada a partir de diversos estímulos físicos se puede controlar para que los dispositivos realicen acciones dirigidas. Esto puede moderar el funcionamiento de dispositivos electrónicos que son autosuficientes.

Los siguientes pasos incluyen probar esta teoría en un laboratorio utilizando aplicaciones potenciales. Adicionalmente, Los esfuerzos para mejorar el efecto flexoeléctrico en elastómeros blandos serán el foco de más estudios.