GEL IÔNICO UTILIZADO COMO MÚSCULO ARTIFICIAL PARA APLICAÇÃO EM ROBÓTICA

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1 GEL IÔNICO UTILIZADO COMO MÚSCULO ARTIFICIAL PARA APLICAÇÃO EM ROBÓTICA Teodiano F. B. Filho 1, Adilson R. Prado 2*, Luís C. Passoni 3, Luiz C. P. Almeida 4, Éric M. Garcia 5 1 Departamento de Engenharia Elétrica da UFES - tfbastos@ele.ufes.br ; 2* Departamento de Engenharia Elétrica da UFES, CEP Vitória/ ES Brasil - adilson@ele.ufes.br ; 3 Laboratório de Ciências Químicas (LCQUI) da UENF lpasoni@uenf.br ; 4 Laboratório de Ciências Químicas (LCQUI) da UENFlcpaluiz@ gmail.com; 5 Departamento de Química da UFES - tyxxxtyxxx@ig.com.br IONIC GEL USED AS ARTIFICIAL MUSCLE FOR APPLICATIONS IN ROBOTIC In this work we describe the synthesis of one polymer precursor of artificial muscle, materials that mimetization human muscles. The polymer used for that was polyacrilonitrile, this one has a high resistance mechanics and a great capacity of volumetric variation for chemical activation. The process of synthesis consisted in the polymerization through free radical in aqueous half from acrylonitrile monomers. After the synthesis, three stages of processing on the material had been carried through: thermal treatment, alkaline treatment and the doping of the material. Finally the material was submitted to the conductivity tests and chemical activation in both aqueous and alcoholic solutions. The final material was characterized for infrared spectroscopic, UV-Visible and some measures of electric conductivity. Introdução Um grande desafio dos construtores de atuadores, ou dispositivos geradores de movimento, é buscar um equivalente artificial dos músculos. Simplesmente alterando seu comprimento em resposta a estímulos nervosos, os músculos são capazes de exercer quantidades controladas de força. Os músculos também têm a propriedade da invariância de escala: seu mecanismo funciona com a mesma eficácia para todos os tamanhos. Assim, algo semelhante à força muscular pode ser útil para acionar dispositivos para os quais não é fácil construir motores elétricos minúsculos (ASHLEY, S., 2003). Atualmente uma nova classe de polímeros destaca-se na busca de equivalentes dos músculos. Chamado de Polímero Eletroativo (EAP, na sigla em inglês, de "ElectroActive Polymer"), o EAP não é exatamente uma novidade. O primeiro surgiu em 1925, um material que se solidificava com resfriamento quando submetido a um campo elétrico (BAR-COHEN, Y., 2001). O fato é que agora os cientistas conseguiram aperfeiçoar os polímeros eletroativos,

2 fabricando fibras capazes de sustentar grandes cargas, funcionando com rapidez e durabilidade (INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS, 2006). Os novos músculos artificiais conseguem distender-se até cinco vezes seu tamanho original e alguns modelos sobreviveram a mais de 10 milhões de ciclos de expansão e contração (INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS, 2006). Os polímeros eletroativos podem ser divididos em dois grupos: os polímeros eletroativos iônicos e os eletrônicos. A diferença entre esses dois grupos de materiais consiste nos polímeros eletroativos iônicos apresentam variações físicas devido à passagem de uma corrente elétrica, enquanto os eletrônicos as variações são devidas aplicação de campo elétrico (BAR-COHEN, Y., 2001). Os polímeros eletroativos eletrônicos e iônicos são divididos nos seguintes subgrupos: Polímeros eletroativos eletrônico: EAP dielétricos, Ferroelétricos e Graft Elastomer; Polímeros eletroativos iônicos: Gel iônico, IPMC (compósitos de polímero-metal), polímeros condutores e nanotubos. Dentre os vários materiais citados anteriormente há o destaque do subgrupo dos géis iônicos, materiais que podem obter outra classificação de acordo com o agente dopante empregado ou substância adicionada para a obtenção de um compósito ou blenda. São materiais de fácil síntese e grande potencialidade para serem empregados como músculos artificiais, sendo um bom exemplo a poliacrilonitrila (PAN) (SCHREYER, et al., 2000). PARTE EXPERIMENTAL Síntese de Poliacrilonitrila A síntese da poliacrilonitrila foi realizada pela adição de 75 ml de água deionizada, 0,5 g de peróxido de benzoíla (Merck) e 25 ml de acrilonitrila como monômero (Vetec) em uma erlenmeyer, sendo agitado e colocado à temperatura de 60 C (SÁNCHEZ-SOTO et al., 2000) por um período de 2 horas. Após as 2 horas de aquecimento pôde-se observar a formação de um conglomerado polimérico rígido de cor branca. O material polimérico foi cinco vezes lavado em água destilada e separado da solução por filtração a vácuo. Em seguida, o sólido foi colocado numa estufa à

3 temperatura de 60 C para secar e após a secagem o mesmo foi pulverizado. Todos os reagentes utilizados foram de grau analítico, 99%. Tratamento térmico Oito gramas de PAN foram adicionadas a um béquer onde o mesmo foi aquecido a 170 C por um período de 3 horas. Todo esse processo foi realizado em ambiente com exaustão e em banho de óleo mineral. (SCHREYER, et al., 2000) utilizou em seus trabalhos 2 horas para o processo a temperature de 240 C, devido a limitações do equipamento utilizado no presente trabalho foi alterado o processo de anelação das fibras de PAN. Tratamento Alcalino Ao produto obtido do tratamento térmico da PAN adicionou-se 20 ml de uma solução concentrada de NaOH e o sistema foi ao aquecido por um período de 30 min a temperatura de 100 C (SCHREYER, et al., 2000). Processo de dopagem da PAN com cobre A dopagem da PAN com cobre foi feita através da adição de sulfato de cobre e sulfito de sódio à matriz polimérica com o objetivo de se obter um material final com maior consistência e condutividade. A massa do sal de cobre foi utilizada de modo o produto ter 2% (m/m) em cobre depositado. Deve ser ressaltado que a metodologia de dopagem da PAN com cobre foi desenvolvida no presente trabalho. Comportamento em meio aquoso e alcoólico Após o processo de dopagem uma fita do material de dimensões 20 mm 2 mm 1mm foi colocada em água destilada e álcool etílico, e verificado sua variação volumétrica nos diferentes meios.

4 Caracterização As caracterizações realizadas foram: espectroscopia na região do infravermelho (pastilha de KBr); difratometria de raios-x; espectroscopia UV-Visível da solução do polímero em dimetilformamida (0,18% p/v), voltametria cíclica e condutividade pelo método duas pontas. RESULTADOS E DISCUSSÃO A caracterização por infravermelho foi essencial na confirmação da síntese de poliacrilonitrila, tendo o espectro fornecido bandas com valores muito semelhantes aos encontrados na literatura, como pode ser observado na Figura 1. Figura 1. Comparação entre os espectros de FTIR: a) PAN desse trabalho, PAN da literatura (NATIONAL INSTITUTE OF ADVANCED INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY, 2006) e PAN após tratamento térmico. A = 2244 cm -1 (Estiramento CN) e B = 1624 cm -1 (Estiramento C=C).

5 O FTIR mostrou para a PAN com e sem tratamento térmico as bandas em 2244 e 1624 cm -1, que correspondem respectivamente ao estiramento dos grupos CN e C=C nas extremidades das cadeias poliméricas. Este fato justifica a presença residual desses grupos provenientes da estrutura original (PAN pura), mesmo que tenha ocorrido uma grande variação na coloração do material (PAN pura de cor branca e PAN tratada termicamente de cor marrom intenso). Além disso, esse fato é um forte indício de que o processo térmico aplicado não induz um crescimento longitudinal das cadeias carbônicas do polímero, já que a instauração terminal C=C é caracterizada como grupo reativo do processo de polimerização da PAN. Portanto, um possível aumento ocorreria por interações laterais em conjunto com processo de formação de ciclos ao longo da cadeia polimérica. A banda em 2244 cm -1 caracteriza a deformação do grupo CN presente na cadeia polimérica da PAN, sendo a presença da mesma, um bom indicador para o processo a ser realizado após o tratamento térmico (hidrólise alcalina dos grupos CN Tratamento alcalino). Deve ser ressaltado que a temperatura de degradação da PAN é 250 C, com isso a temperatura de 170 C aplicada no presente trabalho não degradaria o material, apenas promoveria a anelação (conjugação) das fibras de PAN. No tratamento alcalino foi obtido um material elástico que manifestou a capacidade de aumento e diminuição do volume pela adição de ácido e base, respectivamente. Na difratometria de raios-x a síntese de PAN também foi confirmada pelos ângulos de difração característicos em 17 e 29 (Sánchez-soto et al., 2000). Além disso, diferenças morfológicas também foram observadas, como se pode visualizar na Figura 1, na qual a PAN sintetizada neste trabalho apresentou menor cristalinidade que a da referência. Figura 2. (a) Difratograma da PAN obtida neste trabalho, (b) difratograma da PAN de referência (SÁNCHEZ-SOTO et al., 2000).

6 Em termos de condutividade, foi obtido, com o método de duas pontas, os valores de 7, S/m para a PAN dopada e 1, S/m para a PAN não dopada. O comportamento elétrico da PAN não dopada foi também analisado por voltametria cíclica, o processo deu-se com a imersa de uma fica de PAN, conectada ao equipamento de medição, em uma solução de LiOH (onde foi realizado as análise). A Figura 3 mostra o resultado obtido na citada análise, sendo possível observar a faixa de potencial que foram aplicado (0,5 a -1,5 V vs Ag/Ag) além da corrente obtida nos dois sentidos, a oxidação e a redução da fibra polimérica (5mA). Na Figura 2 é mostrada em termos gerais o processo de entrada e saída de íons da matriz polimérica condutora da PAN, sendo destacado dois regiões em azul e três em vermelho. A região azul superior condiz com o processo de agregação de íons lítio e a inferior ao processo de desagregação do mesmo, sendo esses os grandes indicadores da viabilidade de um futuro acionamento elétrico desse material. As regiões em vermelho apresentam processos relacionados à agregação e desagregação de íons como H + e OH -, presentes na solução. A PAN dopada não foi analisada por essa técnica, devido ao grande desejo se avaliar a capacidade elétrica intrínseco do material. Figura 3. Voltametria cíclica da PAN.

7 Na espectroscopia UV-Visível, a PAN tratada apresentou bandas distintas de acordo com o meio no qual se encontravam. Assim em meio alcoólico, o material forneceu uma banda em 204 nm de baixa intensidade. Já em meio aquoso, bandas em 306 e 378nm foram observadas. A avaliação do Comportamento em meio aquoso e alcoólico do material obtido, promoveu aumento do volume do mesmo em meio aquoso e sua diminuição em meio alcoólico, apresentando respostas mecânicas rápidas. Na Tabela 1 apresenta imagens das respostas mecânicas e seu tempo de operação. Tabela 1. Tempo de resposta e sua respectiva resposta mecânica em um ciclo realizado. Meio adicionando Tempo de resposta (s) 0 Imagem Comentário Instante 0s: início da introdução da fita de PAN dopada ao meio aquoso. Água Álcool 2,16 4,31 0 1,17 2,85 Instante 2,16s: a fita começa flexionar para esquerda, esse fato ocorre devido à face ser a menos flexivo (maior quantidade de cobre depositado). Instante 4,31s: a fita intensifica seu movimento para esquerda, como continuidade do movimento anterior. Instante 0s: início da introdução da fita de PAN dopada ao meio alcoólico. Instante 1,17s: a fita começa flexionar para direita, voltando sua posição (instante 0s, no meio aquoso). Instante 2,85s: a fita flexiona para direita, volta aproximadamente sua posição de partida, instante 0s no meio aquoso. A justificativa para o fenômeno apresentado na Tabela 1 é o processo de solvatação que as moléculas de água promovem aos grupos carboxílicos presentes na estrutura do material obtido, promovendo assim o aumento no volume do mesmo. Já o meio alcoólico estabelece a retirada das moléculas de água agregadas as fibras poliméricas, promovendo assim a diminuição do seu volume.

8 CONCLUSÃO O polímero sintetizado expõe uma importante característica para sua aplicação como atuadores em robótica, fato comprovado pelo acionamento realizado em fase líquida com o meio aquoso e alcoólico. Sua estrutura molecular e a total compreensão dos mecanismos de acionamento químicos ainda não são bem conhecidas, porém técnicas como a espectroscopia infravermelha pode ser uma grande aliada na investigação dos comportamentos desse material o qual possui grande potencialidade para aplicações em próteses médicas e em robótica. Referências Bibliográficas [1] ASHLEY, S.; Novos polímeros controlados eletricamente podem mover robôs e próteses. Revista Scientific American Brasil, Edição Nº 18, [2] BAR-COHEN, Y.; Electroactive Polymers as Artificial Muscles Reality and Challenges. Proceedings of the 42nd AIAA Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference (SDM), Gossamer Spacecraft Fórum (GSF), April [3] INOVAÇÕES TECNOLÓGICAS. Novos polímeros eletroativos poderão finalmente viabilizar músculos artificiais para robótica. < Acesso em 7 junho de 2006 [4] SÁNCHEZ-SOTO, P.J.; AVILÉS, M. A.; DÍO, J.C.; GINÉS, J. M.; PASCUAL; PÉREZ- RODRÍGUEZA, J. L.; Thermal study of the effect of several solvents on polymerization of acrylonitrile and their subsequent pyrolysis. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. p , April [5] SCHREYER, H. B.; GEBHART, N.; KIM, K. J.; SHAHINPOOR, M.; Electrical Activation of Artificial Muscles Containing Polyacrylonitrile Gel Fibers. Biomacromolecules, Vol. 1, p , July [6] NATIONAL INSTITUTE OF ADVANCED INDUSTRIAL SCIENCE AND TECHNOLOGY (AIST). Spectral Database for Organic Compounds SDBS. Disponível em: < Acesso em 15 abril de 2006.