I ricercatori hanno dimostrato una "flessoelettricità gigante" in elastomeri morbidi che potrebbe migliorare la gamma di movimento del robot e rendere i pacemaker autoalimentati una possibilità reale. In un articolo pubblicato questo mese su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze, scienziati dell'Università di Houston e dell'Air Force Research Laboratory spiegano come ingegnerizzare sostanze apparentemente ordinarie come la gomma di silicone in una centrale elettrica.

Cosa hanno in comune:un dispositivo medico impiantato autoalimentato, un robot morbido simile a un umano e come sentiamo il suono? La risposta al motivo per cui queste due tecnologie e fenomeni biologici disparati sono simili risiede nel modo in cui i materiali di cui sono fatti possono cambiare significativamente in dimensioni e forma, o deformarsi, come un elastico, quando viene inviato un segnale elettrico.

Alcuni materiali in natura possono svolgere questa funzione, fungendo da convertitore di energia che si deforma quando viene inviato un segnale elettrico o fornisce elettricità quando viene manipolato. Questa si chiama piezoelettricità ed è utile nella creazione di sensori ed elettronica laser, tra molti altri usi finali. Però, questi materiali naturali sono rari e sono costituiti da strutture cristalline rigide che sono spesso tossiche, tre distinti inconvenienti per le applicazioni umane.

I polimeri artificiali offrono passaggi per alleviare questi punti deboli eliminando la scarsità di materiale e creando polimeri morbidi in grado di piegarsi e allungarsi, noti come elastomeri morbidi, ma in precedenza quegli elastomeri morbidi mancavano di attributi piezoelettrici significativi.

In un articolo pubblicato questo mese su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze, Kosar Mozaffari, studente laureato al Cullen College of Engineering dell'Università di Houston; Pradeep Sharma, M.D. Anderson Chair Professor &Department Chair of Mechanical Engineering presso l'Università di Houston e Matthew Grasinger, LUCI Postdoctoral Fellow presso il Laboratorio di Ricerca dell'Aeronautica Militare, offrire una soluzione.

"Questa teoria progetta una connessione tra elettricità e movimento meccanico in materiali morbidi simili alla gomma, "ha detto Sharma. "Mentre alcuni polimeri sono debolmente piezoelettrici, non esistono materiali piezoelettrici come la gomma davvero morbida."

Il termine per questi elastomeri morbidi multifunzionali con capacità aumentata è "flessoelettricità gigante". In altre parole, questi scienziati dimostrano come aumentare le prestazioni flessoelettriche nei materiali morbidi.

"La flexoelettricità nella maggior parte dei materiali in gomma morbida è piuttosto debole, " ha detto Mozaffari, "ma riorganizzando le catene nelle cellule unitarie a livello molecolare, la nostra teoria mostra che gli elastomeri morbidi possono raggiungere una maggiore flexoelettricità di quasi 10 volte la quantità convenzionale."

I potenziali usi sono profondi. I robot simili all'uomo realizzati con elastomeri morbidi che contengono proprietà flessoelettriche aumentate sarebbero in grado di eseguire un'ampia gamma di movimenti per eseguire attività fisiche. I pacemaker impiantati nei cuori umani e che utilizzano batterie al litio potrebbero invece essere autoalimentati poiché il movimento naturale genera energia elettrica.

La meccanica degli elastomeri morbidi che genera e viene manipolata da segnali elettrici replica una funzione simile osservata nell'orecchio umano. I suoni colpiscono il timpano che poi vibra e invia segnali elettrici al cervello, che li interpreta. In questo caso, il movimento può manipolare elastomeri morbidi e generare elettricità per alimentare un dispositivo da solo. Questo processo di autogenerazione di energia mediante il movimento appare come un passo avanti rispetto a una tipica batteria.

I vantaggi di questa nuova teoria vanno oltre. Nel processo di ricerca, è emersa la capacità di progettare una cella unitaria che è invariante per stiramento o rimane invariata sotto trasformazione di stiramento indesiderata.

"Per alcune applicazioni richiediamo la generazione di determinate quantità di elettricità indipendentemente dalla deformazione da stiramento, considerando che con altre applicazioni desideriamo quanta più elettricità possibile, e abbiamo progettato per entrambi questi casi." ha detto Mozaffari.

"Nella nostra ricerca, abbiamo scoperto un metodo per rendere invariante l'allungamento di una cella unitaria. La natura regolabile della direzione flessoelettrica può essere utile per produrre robot morbidi e sensori morbidi".

In altre parole, la quantità di energia elettrica generata da vari stimoli fisici può essere controllata in modo che i dispositivi eseguano azioni dirette. Ciò può moderare il funzionamento di dispositivi elettronici autosufficienti.

I passaggi successivi includono la verifica di questa teoria in laboratorio utilizzando potenziali applicazioni. Inoltre, gli sforzi per migliorare l'effetto flessoelettrico negli elastomeri morbidi saranno al centro di ulteriori studi.