Os sensores piezoelétricos flexíveis são essenciais para monitorar os movimentos tanto de humanos quanto de robôs humanoides. No entanto, os designs existentes são ou custosos ou têm sensibilidade limitada. Em um estudo recente, pesquisadores do Japão abordaram essas questões desenvolvendo um novo material composto piezoelétrico feito de nanofibras de polivinilideno fluorado e dopamina obtidas por eletrofiação. Sensores feitos deste material mostraram melhorias significativas de desempenho e estabilidade a baixo custo, prometendo avanços na medicina, saúde e robótica. Assim, os sensores flexíveis, que oferecem melhor conforto e maior versatilidade, tornaram-se uma área de estudo muito ativa. Os sensores são particularmente importantes nesse sentido, pois podem converter estresse mecânico e alongamento em um sinal elétrico.
Apesar de numerosas abordagens promissoras, ainda falta métodos ambientalmente sustentáveis para produzir em massa sensores flexíveis de alto desempenho a baixo custo. Diante desse cenário, uma equipe de pesquisa da Universidade de Shinshu, Japão, decidiu enfrentar o desafio e melhorar o design de sensores piezoelétricos flexíveis usando uma técnica de fabricação bem estabelecida: eletrofiação. Seu estudo mais recente, liderado pelo Professor Distinto Ick Soo Kim em associação com Junpeng Xiong, Ling Wang, Mayakrishnan Gopiraman e Jian Shi, foi publicado em maio de 2024, na revista Nature Communications. O design flexível do sensor proposto envolve a eletrofiação passo a passo de uma membrana composta de nanofibras 2D. Primeiro, são giradas nanofibras de polivinilideno fluorado (PVDF) com diâmetros da ordem de 200 nm, formando uma rede uniforme forte que atua como base para o sensor piezoelétrico.
Em seguida, nanofibras de PVDF ultrafinas com diâmetros menores que 35 nm são giradas sobre a base pré-existente. Essas fibras se entrelaçam automaticamente entre as lacunas da rede base, criando uma topologia 2D particular. Após a caracterização por meio de experimentos, simulações e análises teóricas, os pesquisadores descobriram que a rede composta de PVDF resultante tinha uma orientação cristalina beta aprimorada. Ao aprimorar essa fase polar, que é responsável pelo efeito piezoelétrico observado em materiais de PVDF, o desempenho dos sensores foi significativamente melhorado. Para aumentar ainda mais a estabilidade do material, os pesquisadores introduziram dopamina (DA) durante o processo de eletrofiação, o que criou uma estrutura de núcleo e casca protetora. “Sensores fabricados usando membranas compostas de PVDF/DA exibiram excelente desempenho, incluindo uma ampla faixa de resposta de 1,5 a 40 N, alta sensibilidade de 7,29 V/N para forças fracas na faixa de 0-4 N e excelente durabilidade operacional”, observa Kim.
Essas qualidades excepcionais foram demonstradas na prática usando sensores vestíveis para medir uma ampla variedade de movimentos e ações humanas. Mais especificamente, os sensores propostos, quando usados por um humano, foram capazes de produzir uma resposta de voltagem facilmente distinguível para movimentos naturais e sinais fisiológicos. Isso incluiu toques de dedos, flexões de joelhos e cotovelos, batidas de pés e até mesmo fala e pulsos de pulso. Dado o potencial de produção em massa de baixo custo desses sensores, combinado com o uso de materiais orgânicos ecologicamente corretos em vez de materiais inorgânicos prejudiciais, este estudo poderia ter importantes implicações tecnológicas não apenas para monitoramento de saúde e diagnósticos, mas também para a robótica.
“Apesar dos desafios atuais, os robôs humanoides estão prontos para desempenhar um papel cada vez mais integral em um futuro muito próximo. Por exemplo, o conhecido robô da Tesla ‘Optimus’ já pode imitar movimentos humanos e andar como um humano”. “Considerando que sensores de alta tecnologia estão sendo usados atualmente para monitorar movimentos de robôs, nossos sensores piezoelétricos superiores baseados em nanofibras têm muito potencial não apenas para monitorar movimentos humanos, mas também no campo da robótica humanoides.” Para facilitar a adoção desses sensores, a equipe de pesquisa estará focada em melhorar as propriedades de saída elétrica do material para que os componentes eletrônicos flexíveis possam ser acionados sem a necessidade de uma fonte de alimentação externa.