Una gota de la emulsión curada en medio de etanol antes (izquierda) y después de que el etanol se haya evaporado (derecha). La imagen de la sección transversal tiene un color falso para resaltar el núcleo de polímero (azul) y la cubierta de nanopartículas de negro de humo (rojo). Crédito:Kim et al., Sci. Robot. 5, eaay3604 (2020)
Un número creciente de empresas y grupos de investigación en todo el mundo están desarrollando sensores compatibles basados en materiales compuestos, que puede tener una amplia gama de posibles aplicaciones. Materiales compuestos, los hechos de dos o más sustancias, a menudo tienen propiedades únicas y ventajosas que difieren de las de sus componentes individuales.
Estudios anteriores han encontrado que los materiales compuestos que contienen matrices poliméricas y rellenos conductores son particularmente prometedores para el desarrollo de sensores compatibles. ya que pueden imprimirse a gran escala. Una ventaja clave de los sensores fabricados con esta clase de materiales es que pueden integrarse en sistemas geométricamente complejos o flexibles. como dispositivos portátiles y robots blandos.
Investigadores de la Universidad de Yale han introducido recientemente un enfoque que podría permitir la fabricación sostenible de sensores compatibles para aplicaciones de robótica blanda. Este enfoque, presentado en un Ciencia Robótica papel, implica el uso de una emulsión Pickering a base de etanol que coagula espontáneamente, creando un compuesto conductor que se puede imprimir fácilmente en sistemas robóticos blandos.
"La impresión de materiales compuestos generalmente implica el uso de disolventes, como tolueno o ciclohexano, para disolver la resina polimérica y adelgazar el material a una viscosidad imprimible, "escribieron los investigadores en su artículo". Sin embargo, tales disolventes provocan el hinchamiento y la descomposición de la mayoría de los sustratos poliméricos, limitando la utilidad de los materiales compuestos. Es más, muchos disolventes convencionales son tóxicos o presentan riesgos para la salud ".
Consciente de los desafíos que se presentan al intentar imprimir materiales compuestos con disolventes, los investigadores de Yale idearon un nuevo enfoque que podría permitir la fabricación de sensores de una manera más eficiente y sostenible. La estrategia que desarrollaron se basa en el uso de una emulsión Pickering a base de etanol que coagula espontáneamente, creando un compuesto conductor que se puede imprimir en diferentes tipos de sensores.
"La emulsión de Pickering consiste en precursores de polímeros emulsionados estabilizados por nanopartículas conductoras en un portador de etanol, "escribieron los investigadores en su artículo." Tras la evaporación del etanol, los precursores se liberan, que luego se fusionan en medio de redes de nanopartículas y se polimerizan espontáneamente en contacto con la humedad atmosférica ".
Una vez que delinearon su nueva estrategia de fabricación de sensores, los investigadores imprimieron la emulsión Pickering autocoagulante en varios sistemas poliméricos, incluyendo materiales textiles tradicionales y actuadores suaves. La sustancia conductora que usaron le dio a estos sistemas capacidades de detección, resultando en diferentes tipos de sensores compatibles.
Ilustración que muestra cómo funciona el proceso de impresión y emulsión de SCP. Crédito:Kim et al.
Una mirada de cerca a los textiles con emulsión (gris). La emulsión se indica en azul. Crédito:Kim et al., Sci. Robot. 5, eaay3604 (2020)
Simplemente "pintar" la emulsión sobre las prendas y la cinta de kinesiología puede dar como resultado dispositivos portátiles con detección de tensión listos para usar. Crédito:Kim et al., Sci. Robot. 5, eaay3604 (2020)
Hasta aquí, los investigadores han utilizado su enfoque de fabricación para crear una cinta de kinesiología con infusión de compuestos, rodilleras y guantes de algodón. También aplicaron la misma estrategia para fabricar pieles robóticas suaves, apodado OmniSkins, imprimiendo la emulsión conductora sobre tela de muselina y colocando actuadores en ella.
En pruebas preliminares, los sistemas de detección basados en emulsión de Pickering desarrollados por los investigadores lograron una notable sensibilidad a la deformación y una histéresis insignificante, que son propiedades muy deseables para la mayoría de las tecnologías portátiles y aplicaciones de robótica blanda. En el futuro, la nueva estrategia de fabricación presentada en este documento reciente podría permitir un desarrollo más sostenible de tecnologías de detección innovadoras y de alto rendimiento, incluyendo pieles robóticas suaves y prendas de vestir con capacidad de detección.
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