Este metal líquido viscoso pode levar a um avanço revolucionário da robótica

Este metal líquido viscoso pode levar a um avanço revolucionário da robótica

Toda vez você se senta com o telefone no bolso de trás e se lembra de uma verdade fundamental: os corpos humanos são macios e flexíveis. Eletrônicos não.

Mas em breve, pode haver dispositivos que podem se esticar, dobrar e até se reparar quando estiverem danificados. Ao aproveitar as propriedades incomuns de um metal líquido chamado gálio, os cientistas de materiais pretendem criar uma nova geração de dispositivos flexíveis para interfaces de realidade virtual, monitores médicos, dispositivos de detecção de movimento e muito mais.

O objetivo é pegar a funcionalidade dos eletrônicos e torná-los mais suaves, diz Michael Dickey, engenheiro químico da North Carolina State University. “Quero dizer, o corpo e outros sistemas naturais descobriram como fazer isso. Então, certamente, podemos fazê-lo.”

A eletrônica dobrável também pode ser feita com metais convencionais. Mas o metal sólido pode fadigar e quebrar, e quanto mais é adicionado ao material macio, mais inflexível o material se torna. Os metais líquidos não têm esse problema, diz Dickey – eles podem ser dobrados, esticados e torcidos com pouco ou nenhum dano.

“Este é um dos mais interessante materiais da tabela periódica”.

A flexibilidade acaba sendo apenas uma das propriedades úteis do gálio. Por ser um metal, ele conduz calor e eletricidade facilmente. Ao contrário do mercúrio metálico líquido mais conhecido, tem baixa toxicidade e baixa pressão de vapor, por isso não evapora facilmente.

O gálio flui tão facilmente quanto a água. Mas no ar, também forma rapidamente uma camada externa rígida de óxido, permitindo que seja facilmente moldada em formas semi-sólidas. A tensão superficial, que é 10 vezes maior que a da água, pode até ser variada submergindo o metal líquido em água salgada e aplicando uma voltagem.

Os circuitos de gálio também podem ser impressos e aplicados diretamente na pele, como uma tatuagem temporária.Publicação futura/Publicação futura/Imagens Getty

“Eu sou tendencioso, então leve isso para o que vale a pena. Mas acho que este é um dos materiais mais interessantes da tabela periódica porque tem muitas propriedades únicas”, diz Dickey, coautor de uma visão geral do gálio no 2021 Revisão Anual da Pesquisa de Materiais.

O interesse pelo gálio ficou para trás no passado, em parte por causa da associação injusta com o mercúrio tóxico e em parte porque sua tendência a formar uma camada de óxido era vista como negativa. Mas com o aumento do interesse em eletrônicos flexíveis e, especialmente, vestíveis, muitos pesquisadores estão prestando atenção renovada.

“Não há semicondutores aqui.”

Para fazer circuitos dobráveis ​​com gálio, os cientistas o formam em fios finos embutidos entre folhas de borracha ou plástico. Esses fios podem conectar pequenos dispositivos eletrônicos, como chips de computador, capacitores e antenas. O processo cria um dispositivo que pode envolver um braço e ser usado para rastrear o movimento, a velocidade ou os sinais vitais de um atleta, por exemplo, diz Carmel Majidi, engenheiro mecânico da Carnegie Mellon University.

Esses fios e circuitos de metal líquido podem resistir a flexões ou torções significativas. Como demonstração, Dickey fez fios de fone de ouvido que podem esticar até oito vezes seu comprimento original sem quebrar. Outros circuitos podem se curar quando rasgados – quando as bordas são posicionadas uma contra a outra, o metal líquido flui de volta.

Os circuitos de gálio também podem ser impressos e aplicados diretamente na pele, como uma tatuagem temporária. A “tinta” funciona como um eletrodo convencional, do tipo usado para monitorar a atividade cardíaca ou cerebral, diz Majidi, que fez esse circuito imprimindo o metal em material flexível. As tatuagens são mais flexíveis e duráveis ​​do que os eletrodos existentes, tornando-as promissoras para uso a longo prazo.

A qualidade de mudança de forma do metal líquido abre outros usos potenciais. Quando o metal é espremido, esticado e torcido, sua forma muda, e a mudança na geometria também muda sua resistência elétrica. Assim, passar uma pequena corrente através de uma malha de fios de gálio permite que os pesquisadores meçam como o material está sendo torcido, esticado e pressionado.

Uma corrente elétrica altera a tensão superficial do gálio, permitindo que ele levante e abaixe um peso. A propriedade pode torná-lo útil como um músculo robótico macio.

Este princípio poderia ser aplicado para criar luvas com sensor de movimento para realidade virtual: se uma malha de fios de gálio fosse incorporada dentro de um filme fino e macio no interior da luva, um computador poderia detectar as mudanças na resistência à medida que o usuário move a mão .

“Você pode usá-lo para rastrear o movimento do seu próprio corpo, ou as forças com as quais você está em contato, e então transmitir essa informação para qualquer mundo virtual que você esteja experimentando”, diz Majidi.

Essa propriedade até levanta a possibilidade de máquinas que usam o que Dickey chama de “soft logic” para operar. Em vez de exigir computação, as máquinas que usam lógica suave têm reações simples baseadas diretamente nas mudanças na resistência elétrica em toda a rede. Eles podem ser projetados para que empurrar, puxar ou dobrar diferentes partes da grade ative diferentes respostas. Como demonstração, Dickey criou um dispositivo que pode ligar e desligar motores ou luzes dependendo inteiramente de onde o material é pressionado.

“Não há semicondutores aqui. Não há transistores; não há cérebro; é apenas baseado na forma como o material é tocado”, diz Dickey.

Lógica tátil de baixo nível como essa pode ser usada para criar capacidade de resposta em dispositivos, semelhante a construir reflexos em robôs macios – essas reações não exigem um “cérebro” complexo para processar informações, mas podem reagir diretamente em resposta a estímulos ambientais, alterando a cor ou as propriedades térmicas ou redirecionando a eletricidade.

E essa camada externa de óxido que se forma quando o gálio é exposto ao ar agora está sendo aproveitada. A camada de óxido permite que o metal mantenha sua forma e abre todos os tipos de possibilidades de modelagem e fabricação. Pequenas gotas de gálio podem ser empilhadas umas sobre as outras. Uma gota de gálio pode ser arrastada ao longo de uma superfície, deixando um fino rastro de óxido que pode ser usado como um circuito.

O gálio tem tantas propriedades interessantes que deve ser útil em eletrônica leve e robótica.Publicação futura/Publicação futura/Imagens Getty

Além disso, na água, a camada de óxido pode se formar e desaparecer aplicando uma pequena quantidade de voltagem, fazendo com que as esferas se formem e colapsem instantaneamente. Ao alternar para frente e para trás, Dickey pode fazer as contas moverem um peso para cima e para baixo. Com refinamento, essa propriedade pode formar a base de músculos artificiais para robôs, diz ele.

Dickey admite que a tecnologia ainda está em seus estágios iniciais e que o trabalho até agora apenas sugere como ela pode ser comercializada. Mas o gálio tem tantas propriedades interessantes que deve ser útil em eletrônica leve e robótica, diz ele.

Ele compara o campo com os primórdios da computação. Embora os primeiros computadores experimentais feitos com tubos de vácuo e interruptores mecânicos sejam grosseiros para os padrões de hoje, eles estabeleceram princípios que deram origem à eletrônica moderna.

Majidi diz que também espera ver o metal líquido usado comercialmente no futuro próximo.

“Nos próximos anos, você verá cada vez mais essa transição de tecnologias de metal líquido na indústria, no mercado”, diz ele. “Não é tanto um gargalo técnico neste momento. Trata-se de encontrar aplicações comerciais e usos de metal líquido que realmente fazem a diferença.”

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