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Dissertação de Mestrado

“Construção e caracterização de atuadores baseados em polímeros eletroativos para aplicações em robótica e bioengenharia”

Autor: Laos Alexandre Hirano Orientador: Prof. Dr. Luiz de Siqueira Martins Filho Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo de Oliveira Duarte Co-orientador: Prof. Dr. Rodrigo Fernando Bianchi

Fevereiro de 2009

Laos Alexandre Hirano

“Construção e caracterização de atuadores baseados em polímeros eletroativos para aplicações em robótica e bioengenharia”

Dissertação de Mestrado apresentada ao

Programa de Pós-Graduação em Engenharia

de Materiais da REDEMAT, como parte

integrante dos requisitos para a obtenção do

título de Mestre em Engenharia de Materiais.

Área de concentração: Análise e seleção de materiais

Orientador: Prof. Dr. Luiz de Siqueira Martins Filho

Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo de Oliveira Duarte

Co-orientador: Prof. Dr. Rodrigo Fernando Bianchi

Ouro Preto, fevereiro de 2009

Catalogação: [email protected]

H668c Hirano, Laos Alexandre.

Construção e caracterização de atuadores baseados em polímeros eletroativos para aplicações em robótica e bioengenharia [manuscrito]/ Laos Alexandre Hirano – 2009.

ix, 76f.: il. color., grafs., tabs. Orientador: Prof. Dr. Luiz de Siqueira Martins Filho. Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo de Oliveira Duarte. Co-orientador: Prof. Dr. Rodrigo Fernando Bianchi. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Rede Temática em Engenharia de Materiais. Área de concentração: Análise e seleção de materiais.

1. Robótica - Teses. 2. Bioengenharia - Teses. 3. Polímeros - Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título. CDU: 681.5

“Os únicos limites são os que criamos”

(Santos Dumont)

“Sonhar com o impossível é o primeiro passo para torná-lo possível”

(Confúcio)

“Ande sobre estas folhas de papel de arroz sem rasgá-las...”

(Mestre Pô e Mestre Luiz)

Agradecimentos

A Deus pelas benções de todos os dias e por ter colocado a palavra "yamato damashi"em

minha vida, uma palavra que não se traduz, e sim se entende, e que me deu coragem, força e

paciência perante todos os desafios durante a minha vida acadêmica.

Aos meus pais, João e Lélia pelo exemplo de vida, pelo infinito carinho e pela força nas

horas mais complicadas. À minha maninha Letícia pela paciência e atenção, e aos meus avós

Umeo, Kimiko, Isao (deixaram saudades) e Kayoko pelos ensinamentos.

À minha namorada, Carolina pelo carinho, amor e paciência, principalmente nas horas

mais difíceis, e seus pais, Ronaldo e Rosane, pela amizade e hospitalidade. Agradecimentos

especiais também aos tios e primos que me acolheram com muito carinho.

Ao Prof. Luiz Martins , pela orientação, pelo incentivo e, principalmente, pela confiança

e amizade fornecidas. Também não posso deixar de agradecer por todos os ensinamentos, em

especial, andar sobre a papel de arroz sem rasgá-lo. Obrigado pela harmonia "mestre e gafa-

nhoto".

Ao Prof. Ricardo Duarte, pela orientação, pela amizade, pelos exemplos de seriedade e,

principalmente, pelos ensinamentos de ética acadêmica.

Ao Prof. Rodrigo Bianchi, pela orientação, pela compreensão e pelas discussões que

enriqueceram o trabalho. Também não posso deixar de agradecer pela referência em seriedade

e dedicação à carreira acadêmica.

Ao Prof. Ricardo Prado, o "Pradim", pela amizade e companheirismo, e pelas con-

tribuições na área de circuítos elétricos.

Ao Prof. José Fernando Paiva, pela disponibiliade, atenção, e pela enorme contribuição

nos experimentos de síntese das amostras dos músculos artificiais.

Ao Prof. Mauro Schettino Souza, pela amizade, e todos colegas do DECBI pela con-

tribuição na parte de biomecânica.

Aos amigos de laboratório do LASCA, pela estrutura, pelo companheirismo e pelos mo-

mentos de descontração.

Aos amigos de mestrado, em especial, aos amigos do LAPPEM, pelo companheirismo,

pela atenção e paciência.

Aos irmãos da república Kamikaze, Thiago (Praga), Arnaldo (Pikashu), Junio (Mula Mo-

lusko), Guilherme (Monstrinho), Diego (Mariposa), Geraldo (Preguiça) e Arthur (Treco), pela

amizade e companheirismo.

Aos amigos da república Skulaxu, pela amizade e rocks.

Aos amigos de trabalho da Coopvest, amigos que me acolheram e me ensinaram muito.

A DuPont por fornecer uma amostra de Nafion R© para a síntese de amostras.

A REDEMAT e CAPES pelo apoio financeiro.

Sumário

Sumário i

Lista de Figuras iv

Lista de Tabelas vii

Resumo viii

Abstract ix

1 Introdução 1

1.1 Biomimética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Descrição do problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Organização da dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Polímeros Eletroativos 9

2.1 EAPs Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.1 EAPs ferroelétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.1.2 EAPs dielétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1.3 Papéis Eletrostrictivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.2 EAPs Iônicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

i

SUMÁRIO

2.2.1 Géis poliméricos iônicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2.2 Compósitos de polímero iônico e metal . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2.3 Polímeros condutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3 Comparação entre EAPs elétricos e iônicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.4 Aplicações de EAPs em robótica e bioengenharia . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Compósitos de polímero iônico e metal 23

3.1 Mecanismo de funcionamento dos IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2 Capacidade de sensoriamento do IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3 Metodologias para preparação de IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3.1 Primeiro método de preparação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3.2 Segundo método de preparação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4 Experimentos elétricos com os IPMCs 36

4.1 Testes de deformação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.1.1 Procedimento experimental (Setup) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1.2 Influência no sentido de lixamento na deformação do IPMC . . . . . . 40

4.1.3 Deformação do IPMC em função do tempo . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1.4 Deformação em função da freqüência . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.2 Caracterização elétrica dos IPMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.2.1 Medidas DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.2.2 Medidas AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

5 Conclusões e discussões 51

5.1 Trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Referências Bibliográficas 54

ii

SUMÁRIO

Apêndices 58

A Desenvolvimento de um anuro robótico com atuadores baseados de músculos arti-

ficiais de EAPs 58

iii

Lista de Figuras

1.1 Organização da biomimética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Semelhança entre a estrutura de aviões e tubarões . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Roupa de natação com textura inspirada em pele de tubarão. . . . . . . . . . . 2

1.4 Esquema de uma parede com isolamento térmico inspirado em ursos polares . . 3

1.5 Telhado inspirado no mecanismo de coleta de água presente em plantas. . . . . 3

1.6 Superfície do velcro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.7 Ranhuras na superfície de pneus inspirados em patas de sapos. . . . . . . . . . 4

1.8 Exemplos de biomimética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.9 Um exemplo de cefalópode, que realiza movimentos de grande complexidade e

flexibilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.10 Movimento esperado pela membrana para uma entrada de tensão de onda quadrada

de amplitude constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1 Peixe robótico desenvolvido pela EAMEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Face robótica desenvolvida com EAPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Girino robótico com atuadores de EAPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4 Robô aquático inspirados em peixes rajiformes com atuadores de EAPs . . . . 10

2.5 Robô tipo verme com movimentos acionados por EAPs . . . . . . . . . . . . . 10

2.6 Braço robótico com atuadores de EAPs elétricos (fonte: http://eap.jpl.nasa.gov). 11

iv

LISTA DE FIGURAS

2.7 Amostra de EAP ferroelétrico antes de depois da aplicação de campo elétrico . 13

2.8 Efeito observado em EAPs elétricos quando suas placas são polarizadas. . . . . 13

2.9 EAP dielétrico antes e depois da aplicação do campo elétrico . . . . . . . . . . 14

2.10 EAP dielétrico antes e depois da aplicação do campo elétrico . . . . . . . . . . 14

2.11 Mecanismo de migração de íons dentro da matriz polimérica do gel eletroativo 16

2.12 Contração de gel iônico a partir da alteração de pH . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.13 Amostra de gel não iônico desenvolvido por Hirai et al. . . . . . . . . . . . . . 16

2.14 Amostra de IPMC antes e depois da aplicação de um campo elétrico . . . . . . 17

2.15 Aplicação típica do Nafion R©. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.16 Amostra de um EAP de polímero condutor antes e depois da aplicação de um

campo elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.17 Foto do robô octópode Dante desenvolvido para inspeções vulcânicas . . . . . 21

2.18 Robô quadrúpede, Aibo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.19 Robô humanóide, Asimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.20 Biomimetismo de libélula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.21 Sistema MEMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1 Mosca robótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.2 Fórmulas estruturais dos polímeros (a) Nafion R©, (b) Flemion R© e (c) Aciplex R© . 24

3.3 Mecanismos de deformação IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.4 Ilustração da preparação de amostras de IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.5 Fotos da membrana antes e depois da deposição . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.6 MEV da interface eletrodo-polímero do IPMC obtido pelo método de Oguro . . 31

3.7 MEV da interface eletrodo-polímero do IPMC obtido pelo método de Preethichan-

dra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

v

LISTA DE FIGURAS

4.1 Sistema de aquisição e geração de sinais NI-6009 da National Instruments e

ambiente de programação Labview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2 Circuito seguidor de tensão utilizando amplificador operacional CI741 . . . . . 38

4.3 Sinal gerado nos dois terminais do gerador e a deformação esperada no IPMC . 39

4.4 Circuito de subtração de tensões utilizando amplificador operacional . . . . . . 40

4.5 Deslocamento da onda quadrada gerada no NI-6009 para valores negativos . . . 40

4.6 Esquema elétrico do circuito de subtração de tensões e seguidor de tensão . . . 40

4.7 Foto do experimento com as amostras lixadas no sentido horizontal (lado es-

querdo) e vertical (lado direito) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.8 Deformação do IPMC em função do tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.9 Deformação do IPMC obtido pelo método de Preethichandra em função do tempo 43

4.10 Deformação do IPMC obtido pelo método de Oguro em função do tempo . . . 43

4.11 Gráfico do ângulo normal da reta que une os terminais elétricos e a extremidade

da amostra para o IPMC de Preethichandra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.12 Gráfico do ângulo normal da reta que une os terminais elétricos e a extremidade

da amostra para o IPMC de Oguro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.13 Movimento esperado pelos íons e a deformação da amostra de IPMC em cam-

pos elétricos de baixa freqüência e alta freqüência . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.14 Medidas DC 1a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.15 Medidas DC 1b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.16 Medidas DC 2a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.17 Medidas DC 2b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.18 Medidas DC 3a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.19 Medidas DC 3b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.20 Medidas AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

vi

Lista de Tabelas

2.1 Vantagens e desvantagens de EAPs elétricos e iônicos . . . . . . . . . . . . . 19

3.1 Redução primária do eletrodos de Platina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2 Equações envolvidas na redução secundária durante o preparo dos eletrodos

pelo método de Preethichandra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1 Funções complexas obtidas a partir das componentes da impedância complexa . 50

vii

Resumo

Os músculos dos seres vivos evoluíram ao longo de milhões de anos, dotando os animais de

mecanismos para a realização de movimentos extremamente complexos, provendo locomoção

e interações as mais diversas com o ambiente. Este trabalho, no contexto do crescente in-

teresse por essas propriedades e da inspiração nos sistemas vivos, é uma contribuição para

o desenvolvimento de atuadores com capacidades e características semelhantes aos músculos

biológicos. Novos materiais, principalmente os poliméricos, que modificam a sua forma e/ou

dimensão em resposta a estímulos elétricos, constituem bases para a realização de dispositivos

artificiais que mimetizam os músculos naturais, e suas principais propriedades funcionais.

O estudo concentra seu interesse nos polímeros eletroativos (EAP) aplicados à robótica

e bioengenharia. A motivação central é a importância do desenvolvimento de sistemas meca-

trônicos que substituam mecanismos tradicionais de acionamento e movimentação baseados

em motores elétricos rotacionais por acionamentos baseados em dispositivos contruídos com

músculos artificiais. Além de uma revisão sobre os diversos tipos de EAPs, o trabalho apre-

senta detalhes de um tipo específico de material eletroativo, os compósitos de polímero iônico

e metal (IPMC). Estes materiais são constituídos de uma membrana de trocas protônicas com

eletrodos, de metais nobres, depositados em ambas as faces. Dois procedimentos de síntese

deste tipo de material são apresentados, incluindo-se uma análise comparativa entre o desem-

penho eletromecânico das diferentes amostras preparadas. A partir da constatação, da longo

dos experimentos, da importância do estudo dos mecanismos de transporte dos grupos iôni-

cos dentro da matriz polimérica, foram realizados testes experimentais baseados em técnicas

de medições elétricas em campos DC e AC. Uma análise sobre os resultados obtidos e uma

discussão sobre as contribuições deste trabalho concluem o texto.

viii

Abstract

The millions of years evolution of the alive beings muscles equipped animals with mechanisms

for accomplishment of highly complex movements, providing locomotion and a diversity of in-

teractions with the environment. This work considers the context of increasing interest on the

muscles properties and the inspiration on alive beings, and it aims to be a contribution for

the development of actuators with capabilities and characteristics similar to the presented by

biological muscles. New materials, mainly the polymers, that modify their shape and/or di-

mensions when responding to electrical stimulus, constitue the basis for the artificilal device

realization, mimetizing the natural muscles and their main functional properties.

This study focuses its interest on the electroactive polymers (EAP) applied to robotics

and bioengineering. The main motivation is the importance of mechatronic systems’ develop-

ment for the replacement of traditional devices of actuation and motion based on rotational

electrical motors by devices based on artificial muscles. In addition to a review on the different

types of EAPs, the work presents a detailed study concerning a specific type of electroactive

material, the ionomeric polymer-metal composites (IPMC). These materials are built based

on proton exchanges membranes, with electrodes of noble metals, deposited on both membrane

faces. Two synthesis procedures to obtain this material area presented, including a comparative

analysis between the electromechanical performance of different prepared samples. During the

experiments, the importance of studying the mechanisms of transport of ionic groups within the

polymer matrix was remarked, suggesting experimental test based on techniques for measuring

electric fields in DC and AC. The analysis of the study results and a discussion on the obtained

contributions conclude the text.

ix

Capítulo 1

Introdução

Os músculos dos seres vivos evoluíram ao longo de milhões de anos e passaram a realizar

movimentos extremamente complexos que permitem a realização de tarefas as mais diversas,

e otimizam a utilização de energia disponível no organismo vivo. Interessados nestas pro-

priedades e inspirados nesses sistemas vivos, pesquisadores buscam continuamente desenvolver

atuadores com capacidades e características semelhantes aos músculos biológicos. Novos ma-

teriais, principalmente polímeros, que modificam a sua forma e/ou dimensão em resposta a

estímulos elétricos, têm sido estudados como possíveis bases para a realização de dispositivos

artificiais que mimetizam os músculos naturais, e suas principais propriedades funcionais.

Este trabalho trata do estudo desses materiais eletroativos, mais especificamente de ma-

teriais compósitos polímeros-metais, que recentemente vêm sendo utilizados para a construção

de dispositivos de produção de movimentos e esforços para aplicações em robótica e bioen-

genharia. O objetivo é construir esses dispositivos, dominar as técnicas e os procedimentos

de sua produção, e caracterizar o material sob a ênfase de propriedades elétricas e mecânicas.

Esse estudo pretende acumular conhecimentos para o projeto de dispositivos, e elaborar/testar

propostas de aprimoramento nos procedimentos de produção, visando obter melhorias signi-

ficativas nas características funcionais do material.

1

1.1. BIOMIMÉTICA

1.1 Biomimética

Se olharmos ao nosso redor, é possível perceber que a natureza é repleta de mecanismos que

permitem a um indivíduo, uma melhor adaptação ao meio em que habita. A compreensão destes

mecanismos e suas características estruturais serviram, para muitos cientistas, como ponto de

partida para projetos de dispositivos presentes no nosso cotidiano. A disciplina que busca

soluções para problemas de engenharia, de ciência dos materiais, da medicina e de outros cam-

pos, em mecanismos naturais é chamado de biomimética [1]. O estudo da biomimética (palavra

derivada do grego "β iov", que significa vida e "mimesis"de imitação [2]) inicia-se na observação

e descrição de um modelo biológico. Estes modelos são utilizados para desenvolver soluções

técnicas e que, por seguinte são implementados com analogias inspiradas nestas soluções[1, 3].

A figura 1.1 mostra a organização do estudo de biomimética.

Figura 1.1: Organização da biomimética (fonte: www.uniderp.br/bionica/mat_apoio.htm).

Na área de ciência dos materiais, um exemplo particularmente interessante de biomimética

pode ser observado na superfície de aviões. O material que compõe a superfície da aeronave

possui ranhuras ásperas, semelhante às presentes na pele do tubarão, que reduzem o arrasto

implicando na diminuição do consumo energético (figura 1.21). Baseado no mesmo princípio,

recentemente nas olimpíadas foi desenvolvido uma roupa de natação ilustrada na figura 1.32

com a mesma finalidade de economia de energia.

1Tubarões apresentam pequenos orifícios em sua pele na direção do fluxo da água. Testes em laboratóriosprovaram que estes orifícios reduzem significativamente o atrito (10 a 11%). Aplicados em aeronaves, este meca-nismo permitiu uma economia de 4% de combustível (dependendo do tamanho da aeronave, o consumo pode serreduzido de 50.000 a 150.000 litros por ano).

2A tela da roupa imita as ranhuras ásperas presentes na pele do tubarão para reduzir o atrito nas áreas chavese caracteriza um sistema de gerenciamento de turbulência. As talas brancas da tela permitem uma flexibilidademaior e menor atrito. A diminuição do atrito implica em menor consumo de energia, que resultaram em maiorvelocidade e maior fôlego para o atleta [3]

2

1.1. BIOMIMÉTICA

Figura 1.2: Semelhança entre a estrutura de aviões e tubarões (fonte:www.uniderp.br/bionica/mat_apoio.htm).

Figura 1.3: Roupa de natação com textura inspirada em pele de tubarão (fonte:www.uniderp.br/bionica/mat_apoio.htm).

A biomimética também pode ser observada na construção civil, por exemplo, em estru-

turas de isolamento térmico inspirado na pele de ursos polares. Paredes térmicas apresentam

as mesmas características dos seus pelos dos ursos que são excitados pela incidência de raios

ultravioleta produzindo luminescência e calor para a superfície da pele. A superfície é negra

para aumentar a eficiência na absorção de calor (ver a figura 1.4). Ainda na construção civil,

algumas estruturas de captação de água de chuva são inspiradas em várias plantas, conforme

mostra a figura 1.5.

No estudo de superfícies funcionais existem exemplos comuns do nosso cotidiano, tais

como o velcro e as ranhuras de pneus de carro, que também são invenções biomiméticas. O

velcro (figura 1.6) foi inventado após a observação de que algumas plantas possuem rebarbas,

na forma de pequenos ganchos, que eram capazes de aderir à roupa que possui pequenos laços.

Da mesma maneira, as ranhuras dos pneus (figura 1.7) foram implementadas após investigar e

entender que as patas de sapos possuem ranhuras que impedem que escorreguem durantes os

saltos [3].

3

1.1. BIOMIMÉTICA

Figura 1.4: Esquema de uma parede com isolamento térmico inspirado em ursos polares (fonte:www.uniderp.br/bionica/mat_apoio.htm).

Figura 1.5: Telhado inspirado no mecanismo de coleta de água presente em plantas.

Figura 1.6: Superfície do velcro

Além destes exemplos, outras diversas soluções inspiradas em sistemas biológicos podem

ser observadas em várias áreas de atuação. No sensoriamento, podemos citar o sonar que tem

seu princípio de funcionamento inspirado em baleias, golfinhos e morcegos (figura 1.8 parte

superior), ou na química, onde tintas são desenvolvidas com o mesmo princípio biológico de

plantas como as pétalas da flor de lótus (figura 1.8 parte intermediária) que são capazes de

repelir água e contaminações1, ou na aerodinâmica de aeronaves inspirada em aves (figura 1.8

1As pétalas da flor do lótus repelem não somente água assim como contaminações, graças à estrutura biológicapresente nas pétalas desta flor. Um revestimento para uma superfície que fosse desenvolvido utilizando umaestrutura equivalente da presente na flor de lótus eliminaria a necessidade de lavar os carros. O orvalho da manhãseria suficiente para fazer com que a sujeira role da superfície da pintura mantendo o automóvel sempre limpo.

4

1.2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA

Figura 1.7: Ranhuras na superfície de pneus inspirados em patas de sapos.

parte inferior), entre outras aplicações.

Figura 1.8: Exemplos de biomimética.

1.2 Descrição do problema

A biomimética também está presente na engenharia de robôs. A inspiração biológica na cons-

trução de sistemas robóticos possibilita movimentos não rígidos e torna possível o desenvolvi-

mento de estruturas mecânicas similares aos músculos e juntas, que podem se adaptar em dife-

5


rentes situações. A arquitetura descentralizada de controle inspirada biologicamente possibilita

que sistemas menores sejam responsáveis por partes do processo de movimentos, sendo assim

mais tolerantes a falhas [3, 1, 4].

No que se refere aos mecanismos de movimento, os seres vivos adquiriram, ao longo do

processo evolutivo músculos, que os permitem realizar movimentos cada vez mais complexos

visando melhor adaptação, maior eficiência na realização de tarefas, e diminuição do consumo

energético. E estes movimentos são dificilmente reproduzidos por atuadores como motores e

junções devido à exigência de um número demasiado grande de atuadores. Como exemplo

ilustrativo, os movimentos de um cefalópode, como um polvo (figura 1.9), dificilmente seriam

realizados por um conjunto composto de motores e juntas rotacionais. A cada movimento adi-

cional, são exigidos mais graus de liberdade para o mecanismo robótico, o que sugere aumento

no número de motores, junções e engrenagens. Um sistema robótico com muitos graus de liber-

dade, baseado em atuadores tradicionais de motores elétricos rotacionais, apresenta desvanta-

gens importantes tais como [5, 6]:

• Aumento significativo no custo: Motores elétricos e o seu controle envolvem muitos

componentes, que pode elevar consideravelmente o custo para a reprodução da plata-

forma robótica;

• Aumento de massa do sistema mecatrônico: Motores são atuadores pesados por causa

de suas bobinas do rotor e imãs do estator. Além disso, para a realização de movimen-

tos de translação, são necessários conjuntos de engrenagens que contribuem para este

aumento.

• Aumento dos ruídos causados pelos motores e junções: A comutação nas escovas,

folgas de engrenagens e pequenas assimetrias no eixo de rotação dos motores introduzem

vibrações à plataforma;

• Aumento da possibilidade de falhas mecânicas: O conjunto de motores e engrenagens,

ao longo de seu funcionamento, pode ter suas juntas afrouxadas por causa de impactos e

vibrações, levando a posteriores falhas mecânicas;

6


• Diminuição da velocidade de atuação: Com o aumento da massa (inércia) da plataforma,

é requerido maior esforço dos motores que pode causar retardamento dos movimentos da

plataforma;

• Aumento da energia consumida pelos motores: Com o aumento da massa (inércia) da

plataforma, é requerido maior esforço dos motores e, conseqüentemente, maior consumo

energético;

• Inviabilidade de miniaturização: No momento não existem motores elétricos comer-

ciais de pequeno porte. Mesmos as motores em miniatura não comerciais, ainda não

apresentam precisão, velocidade e torque adequados.

• Dificuldade na realização de movimentos suaves: Motores e pistões não realizam movi-

mentos suaves.

Figura 1.9: Um exemplo de cefalópode, que realiza movimentos de grande complexidade eflexibilidade

Uma solução para suprir estas deficiências é a substituição de atuadores baseados de mo-

tores e pistões elétricos por atuadores baseados em polímeros eletroativos (do inglês ElectroAc-

tive Polymer - EAP). Os EAPs são materiais inovadores que têm a capacidade de modificar a sua

forma e/ou a sua dimensão em resposta a estímulos elétricos. Os EAPs podem ser classificados

de acordo com o seu princípio de funcionamento, sendo estes de natureza eletro-química, eletro-

mecânica e/ou eletro-químico-mecânica. Como estes materiais são semelhantes a borrachas

e plásticos, é possível construir atuadores leves, flexíveis e (geralmente) baratos. Atuadores

baseados de EAPs apresentam movimentos suaves e com baixo consumo energético. Alguns

7


tipos de EAP apresentam grandes deformações, mesmo em pequena escala, viabilizando apli-

cações que exijam miniaturização de atuadores. Esta característica torna possível a construção

de músculos artificiais compostos de sistemas menores, responsáveis por partes dos movimen-

tos, obtendo assim suavidade, mais graus de liberdade, e maior flexibilidade[4, 7].

Os EAPs também são eficientes conversores de energia mecânica em energia elétrica per-

mitindo que estes sejam utilizados como sensores de deformação. Esforços mecânicos modifi-

cam a distribuição de cargas internas, produzindo pequenas diferenças de potencial que podem

ser medidas em suas extremidades e relacionadas com o nível de deformação. O nível de tensão

em função da deformação varia de acordo com as dimensões do material e dos mecanismos de

deformação presentes na fase polimérica.

Dentre os EAPs destacam-se os compósitos de polímero iônico e metal (do inglês

Ionomeric Polymer-Metal Composites - IPMC) devido ao mecanismo de dobramento eficiente,

à rápida resposta ao estímulo elétrico e a capacidade de grandes deformações ativados com

baixas tensões elétricas (de 1 a 5 volts). Os IPMCs são materiais compostos de uma fina camada

de um polímero iônico capaz de realizar trocas protônicas cobertas, sobre ambos os lados, por

uma película metálica constituindo eletrodos. Quando uma diferença de potencial é aplicada ao

longo de uma amostra em fita de IPMC hidratado, os eletrodos metálicos são polarizados com

cargas opostas e um campo elétrico é ativado sobre a parcela polimérica. Os cátions presentes

na matriz polimérica migram rumo ao cátodo carregando moléculas de água, criando um gradi-

ente de concentração de água. Conseqüentemente, o material dobra em resposta a expansão do

cátodo e contração do ânodo. Outro mecanismo que se soma a este, ampliando o efeito de de-

formação, são as interações elétricas de grupos aniônicos fixos da membrana com os eletrodos.

No entanto, IPMCs apresentam algumas desvantagens para aplicações em robótica, tais como

restrições às condições de operação, baixas densidade de força apesar de apresentarem grandes

deformações e dificuldade no controle de posição[4].

Este estudo tem como objetivo geral a compreensão das propriedades eletromecânicas

dos IPMCs para aplicações em robótica e bioengenharia. Inicialmente foram realizados expe-

rimentos para analisar a dinâmica do material em função da tensão aplicada, com o objetivo de

obter parâmetros eletromecânicos. Estes parâmetros serão incluídos em modelos matemáticos

8

1.3. ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO

para compor um sistema de controle preciso de posição e velocidade de atuadores de IPMC.

Também serão apresentadas comparações de desempenho da membrana para diferentes méto-

dos de preparação. O objetivo dessas comparações é acumular informações sobre os fatores que

influenciam na deformação para futuramente elaborar novos métodos de preparação de amostras

que resultem em IPMCs com novas propriedades.

No entanto, durante os experimentos foi observado que as amostras apresentavam com-

portamentos inicialmente não previstos na revisão bibliográfica. Para uma entrada de tensão de

onda quadrada com amplitude constante, era esperado que a amostra deformasse em um movi-

mento simétrico de ida e volta com raios de curvatura também constantes, conforme mostra a

figura 1.10. Porém, foi observado que os movimentos de ida e volta não eram simétricos, e

nos primeiros ciclos, o raio de curvatura e a velocidade de deformação eram pequenos e, com o

transcorrer do tempo este raio e a velocidade de deformação ficavam maiores.

Figura 1.10: Movimento esperado pela membrana para uma entrada de tensão de onda quadradade amplitude constante

Para a compreensão destes fenômenos serão investigados os fenômenos de transporte

de cargas no interior do material que promovem a deformação. Serão utilizadas técnicas de

caracterização elétrica comumente utilizadas no estudo de polímeros condutores: as técnicas de

medidas DC e AC.

1.3 Organização da dissertação

Esta dissertação apresenta, além de uma breve revisão sobre biomimética, uma revisão geral

sobre os polímeros eletroativos explicando suas classes, princípio de funcionamento e carac-

terísticas eletromecânicas. Também será apresentado o estudo detalhado de um tipo de EAP:

9


os compósitos de polímero iônico e metal. Neste estudo será apresentada uma revisão sobre os

mecanismos de funcionamento que promovem os movimentos e possibilitam o sensoriamento

do IPMC, dois métodos de preparação de amostras e alguns testes de caracterização visando

compreender melhor os mecanismos de deformação e características eletromecânicas. Uma

análise dos resultados obtidos e discussões sobre as contribuições desta dissertação para algu-

mas aplicações de robótica e bioengenharia concluem o texto.

A dissertação apresenta-se organizada em 6 capítulos da forma como segue:

Capítulo 1: apresenta uma breve revisão sobre o conceito biomimética e alguns exem-

plos cotidianos de invenções biomiméticas; discute a importância da biomimética na robótica e

discute a importância de substituir atuadores tradicionais por atuadores baseados de EAPs para

atender aos movimentos dos modelos biológicos; expõe um tipo de EAP que será apresentado

detalhadamente (o IPMC) e a forma como o trabalho será desenvolvido.

Capítulo 2: apresenta a motivação pelo estudo de EAPs, a sua definição, a classificação

destes em EAPs elétricos e EAPs iônicos, seus mecanismos de funcionamento e uma revisão

comparando características dos dois tipos de EAPs. Uma discussão sobre a sua aplicação em

robótica e bioengenharia encerra o capítulo.

Capítulo 3: apresenta detalhadamente os mecanismos que são ativados por estímulos

elétricos e que promove a deformação dos IPMC. O capítulo também conta com uma breve

apresentação sobre a sua capacidade de sensoriamento e uma discussão sobre testes qualitativos

de sensoriamento.

Capítulo 3.3: apresenta dois métodos de preparação de amostras de IPMC, imagens da

fase metálica depositada sobre a membrana e comenta algumas observações ocorridas durante

o procedimento experimental.

Capítulo 4: Este capítulo está divido em duas partes. A primeira concentra nos testes

de deformação em função da tensão aplicada. Inicialmente são comparadas as deformações de

IPMCs preparados por procedimentos diferentes. Comentários sobre a obtenção de parâmetros

de controle encerram essa primeira parte. A segunda parte deste capítulo apresenta métodos

de caracterização elétrica para determinação de fatores ligados aos fenômenos de transporte de

10


cargas, as quais são responsáveis pela deformação do material: as técnicas de medidas DC e

AC. A apresentação e discussão dos resultados obtidos concluem o capítulo.

Capítulo 5: expõe as conclusões finais, discutindo os resultados encontrados, fazendo

recomendações e sugestões para trabalhos futuros.

11

Capítulo 2

Polímeros Eletroativos

Durante décadas, muitas pesquisas e projetos de atuadores e dispositivos eletromecânicos para

geração de movimentos foram desenvolvidos, principalmente, em aplicações para robótica e

bioengenharia. Estas pesquisas buscaram soluções com resultados práticos que se aproxi-

massem daqueles observados em sistemas vivos, os músculos biológicos. Estes são capazes de

exercer quantidades de força basicamente controladas pela largura dos pulsos nervosos, cons-

tituindo um sistema suficientemente preciso para obter movimentos diferentes, tais como no

movimento das pálpebras no piscar de olhos, ou na realização de movimento e força para le-

vantar pesos consideráveis. Os músculos apresentam ainda outra propriedade interessante: a

invariância de escala. Seu mecanismo de funcionamento obtém desempenho com a mesma

eficácia para diversos tamanhos, razão pela qual, tecidos musculares muito semelhantes em

sua constituição biológica serve como provedor de movimento e força tanto para animais de

pequeno porte, como os insetos, quanto para os de maior porte, como os elefantes [8].

Na década de 90, com o contínuo desenvolvimento de novos materiais, surgiram polímeros

com capacidade de resposta a estímulos elétricos com mudanças tanto de forma como de dimen-

sões significativas. Essa propriedade eletroativa atraiu o interesse de pesquisadores que traba-

lham em projetos de dispositivos baseados em novas formas de atuação e obtenção de movi-

mento e esforços. Um dos focos principais deste estudo é a utilização destes materiais como al-

ternativa para substituir atuadores tradicionais baseados em motores eletromecânicos rotativos.

Esses materiais foram denominados polímeros eletroativos, ou EAPs (do inglês ElectroActive

12

Polymers). Como estes materiais apresentam um comportamento dinâmico muito parecido com

os músculos naturais, os EAPs são chamados muitas vezes por alguns pesquisadores de "mús-

culos artificiais" [5], ainda que outros materiais e outras propostas construtivas também sejam

assim denominados.

Os EAPs despertam interesse nos pesquisadores de biomimética, já que músculos arti-

ficiais de EAPs podem ser utilizados para imitar os movimentos de animais com desempenho

satisfatório. Alguns grupos de pesquisa, graças a um esforço em pesquisas com esses materiais,

obtiveram êxito na construção de alguns dispositivos utilizando atuadores de EAPs, explorando

suas principais características voltadas à robótica flexível (alguns exemplos podem ser vistos

nas figuras 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 e 2.5). Uma proposta de aplicação biomimética dos EAPs, desen-

volvida no contexto desse estudo, está descrita no Apêndice A, que constitui uma motivação

adicional para esse estudo dos EAPs. Nesta proposta, na forma de um artigo a ser apresentado

numa conferência internacional de robótica, estudamos a construção de robô móvel inspirado

nos animais da ordem Anura (por exemplo, sapos e rãs), com o movimento acionado por atu-

adores baseados em polímeros eletroativos construídos no âmbito desse projeto de pesquisa.

Figura 2.1: O primeiro produto comercial a base de EAP - um peixe robótico desenvolvido pelajaponesa EAMEX. Estes nadam sem baterias, motores ou engrenagens. Todo acionamento é àbase de EAPs. A energia provém de um rolo indutivo carregado situado no topo do aquário.(fonte: http://eap.jpl.nasa.gov).

Outra aplicação funcional desses materiais é baseada no fenômeno de produção de uma

diferença de potencial quando submetidos a um esforço mecânico. Essa característica permite

13

Figura 2.2: Face robótica desenvolvida com EAPs. Expressões faciais são dificilmente repro-duzidas por atuadores convencionais. Atuadores de EAPs, além de menores, são maleáveispermitindo mais expressões para o protótipo. Estes robôs são chamado de "animatronics" pelaindustria cinematográfica.(fonte: http://eap.jpl.nasa.gov).

Figura 2.3: Girino robótico com nadadeiras baseada de atuadores de EAPs. Os terminais 1 e 2são baseados EAPs para produzurem um movimento ondulatório [9].

Figura 2.4: Robô aquático inspirados em peixes rajiformes com atuadores de EAPs [10].

que os EAPs possam ser utilizados como sensores de deformação. Esforços mecânicos apli-

cados sobre o material provocam uma modificação na distribuição de cargas internas e/ou na

orientação de pólos, produzindo assim uma pequena diferença de potencial proporcional à de-

formação que pode ser coletada em suas extremidades. O nível de tensão gerado varia de acordo

com o princípio de funcionamento do material específico que constitui a fase polimérica do EAP

14

2.1. EAPS ELÉTRICOS

Figura 2.5: Robô rastejante inspirado em vermes. Este robô consiste de vários EAPs seguimen-tados com controle individual [11].

[5, 12].

Os EAPs podem ser classificados em dois grupos de acordo com o seu princípio de

funcionamento: os EAPs elétricos, cuja deformação é proveniente de forças elétricas (como

previsto nas leis de Coulomb), e os EAPs iônicos, que têm sua deformação causada por efeito

de migração de grupos presentes no interior da fase polimérica (geralmente água) [5, 6].

2.1 EAPs Elétricos

Esta seção apresenta uma breve revisão sobre os EAPs elétricos, incluindo algumas descobertas

mais recentes sobre esse material. Os mecanismos eletromecânicos desta classe de EAPs são

baseados em fenômenos característicos de materiais piezelétricos, que são basicamente lineares,

e também em fenômenos não lineares como a eletrostricção e os tensores de Maxwell.

Os EAPs elétricos exigem voltagens relativamente altas, exigindo cuidados na sua insta-

lação e acionamento. Mas, em compensação, os EAPs elétricos são capazes de reagir rapida-

mente e gerar forças mecânicas vigorosas. Além disso, EAPs elétricos estão sendo amplamente

estudados pelos cientistas no estudo de sensores, uma vez que estes são bons conversores de en-

ergia (convertem energia mecânica em energia elétrica). Estes materiais resistem bem a vários

ambientes e requerem uma corrente quase nula para se manter em determinada posição. Ape-

sar dos riscos devido às altas tensões, o material usado pelo Stanford Research Institute para

construir músculos artificiais se enquadra nesta categoria (ver figura 2.6).

15


Figura 2.6: Braço robótico com atuadores de EAPs elétricos (fonte: http://eap.jpl.nasa.gov).

2.1.1 EAPs ferroelétricos

O fenômeno da piezeletricidade foi descoberto em 1880 por Pierre e Paul-Jacques Curie, que

observaram que uma diferença de potencial é gerada na superfície de certos tipos de cristais

(como o quartzo) quando estes são comprimidos ao longo de certos eixos. No ano seguinte,

descobriu-se que o efeito inverso também era observado, ou seja, o material sofre deformações

quando submetidos a um campo elétrico. A piezeletricidade é um efeito eletromecânico linear

onde a força mecânica (S) e a tensão (T) estão relacionados com o campo elétrico (E) e a

mudança de densidade (D) [5]. O modelo matemático desse fenômeno é dado por:

S = dE (2.1)

D = dT (2.2)

onde d é o coeficiente piezelétrico. Assim, a deformação destes materiais pode ser descrita por

um tensor de terceira ordem dado por:

d = (∂D/∂T )E = (∂S/∂E)T (2.3)

A piezeletricidade ocorre em materiais não-centro simétricos e o fenômeno passa a ser

chamado de ferroeletricidade quando o cristal ou o material dielétrico exibe polarização espon-

16


tânea. Assim, quando expostos a um campo elétrico, estes dipolos mudam sua orientação entre

duas ou mais direções cristalográficas distintas causando a deformação do material. Além de

algumas cerâmicas, esse fenômeno pode ser observado em alguns polímeros que possuem parte

de sua estrutura na forma cristalina [5]. Essa fase apresenta uma distorção estrutural que ori-

gina dipolos elétricos, os quais são capazes de mudar a sua orientação quando submetidos a um

campo elétrico. Estes movimentos são somados resultando na deformação do material [5]. Um

exemplo de polímero eletroativo que possui propriedades ferroelétricas é o PVDF (fluoreto de

polivinilideno) que é parcialmente cristalino, com uma fase amorfa inativa, e apresenta módulo

de Young na faixa entre 1 e 10GPa. A figura 2.7 mostra um EAP ferroelétrico antes e depois da

aplicação do campo elétrico [5]:

Figura 2.7: Amostra de EAP ferroelétrico isento do campo elétrico (esquerdo) e na presençade campo elétrico (direita) [5].

2.1.2 EAPs dielétricos

Além dos polímeros ferroelétricos, alguns polímeros dielétricos na forma de compósitos eletro-

do/polímero/eletrodo também apresentam deformações quando submetidos a um campo elétrico.

Quando uma diferença de potencial é aplicada sobre os eletrodos do material, estes são polari-

zados com cargas opostas. Esta polarização faz com que os eletrodos se atraiam (como prevê a

lei de Coulomb) comprimindo o material polimérico e que, por sua vez, responde expandindo

a sua área [8]. Este fenômeno em que os elastômeros dielétricos, submetidos à campos de alta

tensão, contraem-se na direção das linhas do campo elétrico e expandem-se perpendicularmente

em relação a elas, é chamado de Tensores de Maxwell (a figura 2.8 ilustra o fenômeno) [8, 5].

Neste sentido, a deformação é mais apreciável quando a fase polimérica é constituída por

17


Figura 2.8: Efeito observado em EAPs elétricos quando suas placas são polarizadas.

um material macio. Outro fator que influencia no nível de deformação do material é a constante

dielétrica. Quanto maior a constante dielétrica do material (i.e. quanto mais isolante for o

material), o nível de polarização se torna maior, uma vez que a fase polimérica praticamente

não conduz corrente elétrica, aumentando assim o nível de deformação [5]. A equação 2.4

mostra um modelo simplificado que representa o fenômeno, onde p é a derivada da pressão

efetiva exercida pelos eletrodos sobre um filme do elastômero em função da tensão elétrica V

[5].

p = εrεoE2 = εrεo(V/d)2 (2.4)

onde ε r é a constante dielétrica do material, ε o a permissividade elétrica no vácuo, E o

campo elétrico, V a tensão elétrica aplicada e d a espessura do elastômero.

Para materiais isotrópicos, segundo Bar-Cohen observa-se uma deformação de até 40%.

Porém, no trabalho de Kornbluh et al. são apresentados alguns acrílicos e silicones pré-esticados

podem apresentar deformações superiores à 100% [5]. O motivo dessa mudança ainda não é to-

talmente conhecido, mas já se sabe que o pré-esticamento do polímero introduz uma anisotropia

que modifica o coeficiente elástico do material, o qual justifica, em partes, a mudança de com-

portamento do material [13] (ver figura 2.9). No mesmo trabalho é relatado problemas vincu-

lado ao tipo de eletrodo, uma vez que eletrodos metálicos não conseguem acompanhar a defor-

mação do material dielétrico. Para isso, os autores estudaram um eletrodo elástico baseado de

partículas de carbono (spray de carbono). Com o pré-esticamento, a relação analítica entre o

campo elétrico e a deformação do material se torna uma tarefa difícil, pois devem ser incluídos

no cálculo o comportamento não linear do material, grande deformações e condições de con-

18

2.2. EAPS IÔNICOS

torno anisotrópicas. Como o enfoque deste trabalho se concentra no estudo de um tipo de EAP

iônico que será apresentado nos capítulos seguintes, não foi realizado nenhum aprofundamento

matemático deste problema específico.

Figura 2.9: EAP dielétrico antes e depois da aplicação do campo elétrico [13].

2.1.3 Papéis Eletrostrictivos

No trabalho de Kim et al. [14], são apresentados polímeros na forma de papel, compostos

por várias partículas discretas, principalmente por fibras naturais que formam uma estrutura

em rede, que apresenta propriedades eletrostrictivas. A estes polímeros são colados, com ade-

sivos, lâminas finas de prata em ambos os lados para compor os eletrodos, e quando estes são

polarizados, o material compósito é capaz de dobrar (ver figura 2.10). Este trabalho apresenta

resultados interessantes de desempenho em função da tensão, da freqüência e do tipo de adesivo.

Estudos indicam que a eletrostricção destes materiais está associada com forças eletrostáticas

e interações intermoleculares do adesivo. Várias aplicações, tais como dispositivos ativos para

absorção de som, auto-falantes flexíveis e dispositivos inteligentes de deformação controlada,

são propostos neste trabalho [14, 5].

2.2 EAPs Iônicos

Esta seção apresenta uma breve revisão sobre os polímeros eletroativos iônicos. O mecanismo

de deformação desta classe de EAPs é baseado na migração, ativada por campo elétrico, de

19

2.2. EAPS IÔNICOS

Figura 2.10: EAP dielétrico antes e depois da aplicação do campo elétrico [14].

grupos iônicos ou de cargas induzidas presentes na matriz polimérica. De modo geral, os íons

carregam moléculas de solvente (geralmente água) durante a migração, gerando uma diferença

de concentração. Como conseqüência, o lado mais concentrado expande e o menos, contrai

provocando a dobramento do material.

Diferente dos EAPs elétricos, os EAPs iônicos podem apresentar grandes deformações

e exigem baixas voltagens de ativação, em média 1 a 5 volts. Porém, como desvantagem fun-

cional, estes materiais não conseguem gerar forças de grande magnitude, e sua deformação é

lenta devido ao tempo necessário para ocorrer a migração de cargas. O controle de posição da

deformação deste material é mais complicado em relação aos EAPs elétricos, uma vez que não

é trivial o controle preciso da migração dos íons dentro da matriz polimérica. Outro problema

da utilização deste material na construção de dispositivos é a necessidade de cuidados especiais

com a desidratação da fase polimérica, e ainda as restrições das condições de operação, porque

o desempenho destes materiais depende da quantidade de solvente.

2.2.1 Géis poliméricos iônicos

Os géis poliméricos podem ser utilizados para construir atuadores e dispositivos interessantes,

com obtenção de força e densidade de energia em níveis equiparados com os músculos natu-

rais [15, 5]. Estes materiais (e.g. poliacrilonitrila) são geralmente ativados quimicamente, de

maneira que a densidade do material é modificado com o pH do meio [15].

Liu & Calvert mostram em seu trabalho [15] que estas reações químicas podem ser es-

timuladas eletricamente. Quando ativados, o eletrodo carregado negativamente atrai grupos

catiônicos, e o eletrodo carregado positivamente grupos aniônicos. Assim, a região em torno do

20

2.2. EAPS IÔNICOS

eletrodo negativo fica rica em cátions, forçando a migração dos íons H+ para o outro lado, i.e.,

rumo ao eletrodo positivo, deixando esta região mais ácida. De maneira análoga a este meca-

nismo, a região do eletrodo carregado positivamente fica rica em ânions fazendo com que os

íons OH− migrem para o lado oposto (em torno do eletrodo carregado negativamente), deixando

esta região mais alcalina (ver figura 2.11). Em conseqüência, o material se curva conforme o

cátodo fica mais alcalino e o ânodo mais ácido [15].

Figura 2.11: Mecanismo de migração de íons dentro da matriz polimérica do gel eletroativo

Por outro lado, como desvantagem desse material, a velocidade em que este material se

curva é relativamente baixa por causa do tempo necessário para a difusão dos íons pelo gel.

Conforme relatado em Liu & Calvert, um filme fino de poliacrilonitrila com área de 6cm x

6cm se contrai, reduzindo sua área para apenas 3cm x 3cm em um tempo de 20 minutos (ver

figura 2.12), o que pode ser considerado muito lento e o torna pouco atraente para construção

de dispositivos para aplicações em robótica. Além disso, ao induzir grandes deformações, os

eletrodos são drasticamente danificados levando à perda definitiva do material após 2 ou 3 ciclos

de ativação [15, 5].

Alguns géis não iônicos como, por exemplo, o álcool de polivinila com dimetil sulfonato,

ou PVC (cloreto de polivinila) misturado com alguns plastificantes, também podem sofrer de-

formações significativas quando imersos em um campo elétrico. O fenômeno pode ser atribuído

a injeção de cargas na matriz do gel e a um fluxo cargas induzidas solvatadas que geram uma

21

2.2. EAPS IÔNICOS

Figura 2.12: Contração de gel iônico a partir da alteração de pH estimulado eletricamente [15].

distribuição assimétrica ao gel [16, 5]. Hirai et al. apresentam resultados de estudo deste

material, onde uma amostra de 10mm x 3mm x 2mm apresentou deformações, em curvatura,

superiores a 90o em um tempo em torno de 60 milisegundos (figura 2.13) [16].

Figura 2.13: Amostra de gel não iônico desenvolvido por Hirai et al. deformando quandoinserindo em um campo elétrico

22

2.2. EAPS IÔNICOS

2.2.2 Compósitos de polímero iônico e metal

Compósitos de polímero iônico e metal (do inglês Ionic polymer-metal composites - IPMC) são

EAPs iônicos com a capacidade de dobrar quando submetidos a um campo elétrico. O campo

elétrico faz com que os cátions móveis presentes na estrutura polimérica migrem, carregando

assim moléculas de água, e gerando um gradiente de concentração de água. Conseqüentemente,

o lado com maior quantidade de água sofre uma expansão e o lado oposto, uma contração (ver

figura 2.14). A estrutura polimérica dos IPMC permite que cátions se movam em seu interior

devido a sítios que admitem cátions e grupos polares e rejeitam ânions e espécies apolares.

Além disso, os cátions são móveis na matriz polimérica em razão de seu raio, que é bem menor

comparado à rede carbônica do grupo aniônico. Este fenômeno pode ser observado em mem-

branas de troca protônica, tais como o Nafion R©, Flemion R© e Aciplex R© (figura 3.2).Esse trabalho

está focado justamente nesses compósitos, os IPMCs. O mecanismo de deformação dos IPMCs,

os métodos de preparo e construção de dispositivos, e os resultados e análises de caracterização

serão apresentados detalhadamente no capítulo 3.

Figura 2.14: Amostra de IPMC antes e depois da aplicação de um campo elétrico [5].

Propriedades do Nafion R©

O estudo dessa dissertação está concentrada na análise de IPMC com base polimérica de Nafion R©.

Este polímero é fabricado a partir de membranas de polímeros de troca iônica. O polímero

possui grupos perfluorados, semelhantes ao de Teflon R©, que fornecem estabilidade química e

térmica ao material. A região onde os grupos perfluorados se unem com a cadeia polimérica

23

2.2. EAPS IÔNICOS

formam os sítios de trocas catiônicas. Portanto, o polímero é permeável a cátions e grupos

polares, e a mobilidade destes grupos é determinada pelo seu tamanho e propriedades elétricas.

Estes sítios praticamente rejeitam todos os grupos aniônicos e espécies apolares [17].

A membrana de Nafion R© é composta por vários filmes finos deste polímero, normalmente

reforçados com Teflon R©. Esta membrana é eficiente para separar grupos presentes em um eletró-

lito, permitindo que seja utilizada em uma ampla gama de aplicações. Em um processo típico,

esta membrana é colocada dentro um recipiente separando dois eletrólitos com componentes

diferentes. Como a membrana possui permeabilidade seletiva, somente os componentes mais

permeáveis, como cátions e espécies polares, são transferidos através da membrana sob influên-

cia de uma força motriz, tais como campo elétrico e diferença de concentração [17]. A figura

2.15 ilustra este processo.

Figura 2.15: Aplicação típica do Nafion R©.

Uma das principais aplicações da membrana de Nafion R© é na produção de cloro e soda

cáustica por eletrólise. Esta tecnologia apresenta várias vantagens, tais como quedas signi-

ficativas dos custos de operação e redução de impactos ambientais, em relação aos métodos

antigos, os quais envolviam mercúrio. Outras aplicações da membrana de Nafion R© incluem

sínteses eletromecânicas, regeneração de soluções ácida usadas, recuperação de íons metálicos,

e células de pilhas combustível [17].

24

2.2. EAPS IÔNICOS

2.2.3 Polímeros condutores

Outro tipo de material polimérico que apresenta características de eletroatividade e deformação

é um conjunto de polímeros denominados condutores. O mecanismo de deformação dos polí-

meros condutores é atribuído à inserção e expulsão de íons reversíveis durante o processo de

oxidação e redução [5, 18]. As reações de oxidação e redução que ocorrem nos eletrodos

induzem uma variação de volume considerável em função, principalmente, das trocas de íons

com um eletrólito. Os atuadores de polímeros condutores são constituídos de uma camada fina

de um eletrólito coberto, em ambas as faces, por eletrodos de polímeros condutores, tais como

polianilina, polipirrola ou polianilina dopada com ácido clorídrico. Quando uma diferença de

potencial é aplicada sobre os eletrodos, ocorrem processos de oxidação no anodo e redução no

catodo, e íons H+ migram do eletrólito para os eletrodos para o balanço de cargas. A adição

de íons na fase polimérica causa o seu inchamento, e analogamente, a retirada de íons, enco-

lhimento. Como um lado sofre expansão e o outro, contração, o material compósito se curva.

Otero et al. mostram em seu trabalho que a espessura é um parâmetro que afeta drasticamente

no desempenho do material [5, 18]. Quanto menor a espessura do material, maior a velocidade

do movimento de deformação e menor a força produzida. Em Otero et al. [18], as deformações

de filmes finos atingiram velocidades com ciclos de deformação próximas de 40Hz, e densidade

de energia mecânica de 20J/cm3 (ver figura 2.16). A tensão de ativação destes materiais é de 1

a 5 volts.

Figura 2.16: Amostra de um EAP de polímero condutor antes e depois da aplicação de umcampo elétrico [5].

25

2.3. COMPARAÇÃO ENTRE EAPS ELÉTRICOS E IÔNICOS

2.3 Comparação entre EAPs elétricos e iônicos

Na construção de dispositivos de realização de movimento acionados por EAPs, a escolha do

tipo de polímero a ser adotado deve ser feita cuidadosamente. Devem ser observadas e anali-

sadas as condições ambiente ao qual o polímero estará exposto, as magnitudes da força e de

deformação requeridas, e ainda os recursos energéticos disponíveis. A Tabela 2.1 apresenta

uma comparação entre EAPs elétricos, descrevendo as principais vantagens e desvantagens

associadas a cada tipo de material

Tabela 2.1: Vantagens e desvantagens de EAPs eletrônicos e iônicos [5].

26

2.4. APLICAÇÕES DE EAPS EM ROBÓTICA E BIOENGENHARIA

2.4 Aplicações de EAPs em robótica e bioengenharia

Desde a criação das primeiras imagens ligadas à robótica, ainda no campo da ficção, com nos

trabalhos de Karel Capek1 e Isaac Asimov2, faz-se a idéia de robôs como sistemas pesados,

compostos de partes muito rígidas, construídos com materiais metálicos, que realizam movi-

mentos pouco suaves, e produzindo muitos ruídos através de seus motores e engrenagens. Uma

possível explicação para essa idéia é que a maioria dos robôs, do imaginário histórico até as

realizações dos tempos atuais, é construída e/ou revestida por materiais metálicos, e seus movi-

mentos são obtidos por motores e junções elétricas. Esse tipo de concepção dessas máquinas

limita seus movimentos e comprometem sua flexibilidade.

Os cientistas e engenheiros inspirados na biomimética buscaram constantemente a con-

strução de robôs3 que se assemelham com os seres vivos, uma vez que os seres vivos passaram

por milhões de anos de evolução, sofrendo constante modificações em seus mecanismos, ob-

tendo sempre uma melhor adaptação ao meio que habitam.

Atuadores baseados em motores elétricos e junções rotacionais, em dispositivos eletrome-

cânicos, apresentam diversas desvantagens em certos tipos de aplicações, conforme discutido

na seção 1.1. Uma proposta para contonar essas limitações e desvantagens é a substituição de

atuadores baseados em motores elétricos por atuadores baseados em EAPs. Conforme visto

nas seções 2.1 e 2.2, dispositivos construídos com esses materiais, além de leves, silenciosos

e flexíveis, apresentam movimentos suaves. Estes movimentos podem ser observados mesmo

quando o material se encontra em pequenas dimensões, uma vez que depende apenas da po-

larização do material. Este fator permite a construção de atuadores de porte muito pequeno,1Autor tcheco de teatro e novelas, escreveu um drama satírico, Robôs Universais Rossum - R.U.R., em 1921.

Foi a primeira vez que surgiu a palavra "robô" associada a máquinas autônomas (derivado da palavra tcheca "robo-ta" que significa "trabalho forçado") na história.

2Criador das leis da robótica (1942)

• 1a Lei da robótica: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humanosofra algum mal;

• 2a Lei da robótica: Um robô deve obedecer as ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto noscasos em que tais ordens contrariem a Primeira Lei;

• 3a Lei da robótica: Um robô deve proteger sua própria existência desde que tal proteção não entre emconflito com a Primeira e Segunda Leis.

3A disciplina que aplicada conceitos de biomimética à robótica é chamada de "biônica" ou "robótica biomór-fica".

27


possibilitando obter ainda dispositivos compostos por múltiplos atuadores de pequeno porte, de

maneira semelhante à estrutura dos músculos naturais.

Outro fator decisivo na escolha de EAPs para construção de atuadores é seu consumo

energético, i.e., os níveis de tensão e corrente elétricas necessários para seu acionamento. No

caso dos EAPs elétricos, apesar dos altos níveis de tensão elétrica, a corrente elétrica que passa

pela fase polimérica é praticamente nula, resultando em baixo consumo energético. Já no caso

dos EAPs iônicos, apesar da baixa resistência elétrica da fase polimérica, estes exigem baixas

tensões de ativação para realizar grandes deformações.

Atuadores com essas características podem trazer várias vantagens e inovações para pro-

jetos em robótica. Um fator decisivo para a escolha de atuadores baseados de EAPs para apli-

cações em robótica, principalmente com inspiração biomimética, é a sua flexibilidade. Um

problema ainda com poucas soluções alternativas é a construção de plataformas robóticas com

os sistemas de locomoção e manipulação adaptados a terrenos irregulares. A maioria das

soluções para este problema é inspirada em seres vivos, porém, devido à construção baseada

de atuadores como motores elétricos, as plataformas atuais possuem muitas restrições ao tipo

de terreno em que irão se locomover por não possuírem grande flexibilidade em seus movimen-

tos. Mesmo os mais adaptados, tais como os ilustrados em 2.17, 2.18 e 2.19 não apresentam

uma total adaptação a qualquer tipo de terreno explorado, além dos problemas vinculados à

disponibilidade de energia e das limitações de adaptação e de velocidade. Atuadores baseados

de EAPs podem tornar estas plataformas robóticas mais leves e flexíveis, somando mais graus

de liberdade aos mecanismos, além de permitir movimentos mais suaves.

Outra inovação que um atuador baseado em EAP pode favorecer é a miniaturização dos

dispositivos. Vários projetos acadêmicos, e também militares, buscam construir plataformas

robóticas miniaturizadas, que se assemelhem com insetos voadores para fins de vigilância, ex-

ploração de terrenos hostis e espionagem (figura 2.20). Para este projeto são necessários atu-

adores leves, para viabilizar o vôo e flexíveis, para viabilizar missões complexas que incluem o

vôo e questões vinculadas à manobrabilidade.

Atuadores baseados em EAP também despertam o interesse para aplicações voltadas à

bioengenharia, na construção de próteses e órgãos artificiais. Nesse tipo de utilização do mate-

28


Figura 2.17: Foto do robô octópode Dante desenvolvido pela NASA (Na-tional Aeronautics and Space Administration) em conjunto com a Carnegie Mel-lon University e o observatório de vulcões do Alaska, para inspeções vulcânicas(fonte:ipp.nasa.gov/innovation/Innovation25/DanteII.html).

Figura 2.18: Robô quadrúpede Aibo, inspirado num cão, com capacidade de loco-moção autônoma e de interagir com o usuário respondendo com gestos e sons [19].(fonte:www.sony.jp/products/Consumer/aibo)

rial, é preciso estudar a biocompatibilidade da prótese com o corpo do indivíduo, e também é

importante avaliar questões vinculadas à estética e eficiência. Para o caso específico de mem-

bros artificiais, quando acionados por motores elétricos e pistões, têm a sua estética desfavore-

cida, pois não são capazes de realizar movimentos suficientemente suaves e parecidos com os

membros naturais, além do peso excessivo devido à massa dos motores, junções e engrena-

gens, o que pode acarretar desconforto e problemas para o implantado. Para o caso específico

dos órgãos artificiais, os EAPs são materiais elásticos, que permitem a construção de órgãos

29


Figura 2.19: Primeiro robô humanóide desenvolvido pela Honda em 2001, ASIMO,que possui capacidade de locomoção bípede, visão, olfato, tato e voz [19].(fonte:world.honda.com/ASIMO)

Figura 2.20: Biomimetismo de libélula. O objetivo desses robôs é realizar movimentos seme-lhantes à libélulas para fins de vigilância e espionagem

artificiais macios e flexíveis.

Outra inovação da bioengenharia que busca atuadores com as propriedades dos EAPs é

a construção de dispositivos para procedimentos cirúrgicos. No caso específico dos proced-

imentos de incisão, a falta de maleabilidade dos instrumentos cirúrgicos é um fator crítico,

principalmente quando a incisão tem como objetivo local de acesso mais difícil dentro do corpo

humano. Como conseqüência dessa falta de maleabilidade dos instrumentos de cirurgia atuais,

o corte da incisão necessita ser maior para permitir o acesso ao local de intervenção cirúrgica,

levando a riscos maiores e tempo maior para recuperação. A figura 2.21 mostra o projeto de

um instrumento de cirurgia baseado de EAPs: MEMICA (MEchanical MIrroring using Con-

trolled stiffness and Actuators). O equipamento pode ser manuseado a distância, de modo que

o médico cirurgião fique fisicamente distante do paciente. Em um dos terminais encontra-se o

médico cirurgião que utiliza luvas equipadas com vários sensores de movimento (inclusive sen-

sores de EAPs) e telas conectadas às câmeras focando a área de incisão no paciente. No outro

30


terminal onde o paciente está situado, encontram-se câmeras e braços robóticos à base de aço

cirúrgico e EAPs para realizar a cirurgia. Assim, os atuadores robóticos se movem de acordo

com os movimentos detectados pela luva em que o médico utiliza, permitindo cirurgias on-line.

Figura 2.21: Um dispositivo de cirurgia on-line, MEMICA. Fonte: http://eap.jpl.nasa.gov

31

Capítulo 3

Compósitos de polímero iônico e metal

Esta dissertação está focada no estudo sobre métodos de preparação e caracterização de um

tipo específico de polímeros eletroativos, os compósitos de polímero iônico e metal, os IPMCs

(do inglês Ionomeric Polymer-Metal Composites). Estes são materiais inovadores pertencentes

à classe dos EAPs iônicos. Os IPMCs destacam-se, entre as alternativas para aplicação na

construção de dispositivos de produção de movimento e força, em razão de certas propriedades

e características do seu comportamento eletromecânico. Esses compósitos apresentam resposta

quando submetidos a baixos níveis de estímulos elétricos, são materiais com massa específica

relativamente baixa, obtêm relação força-tensão elevada (considerando-se os EAPs iônicos),

funciona em meio tanto hidratado quanto seco, têm um mecanismo de dobramento eficiente, e

apresentam um tempo de resposta rápido.

A escolha por IPMCs como material a ser estudado se deve, principalmente à suas ca-

racterísticas funcionais, particularmente adequadas às aplicações baseadas no biomimetismo,

tais como em bioengenharia voltada a próteses ou dispositivos robóticos. Uma facilidade, tam-

bém levada em consideração nessa escolha do material, é a farta disponibilidade de referências

bibliográficas e de reagentes para a síntese do material. Considerando a hipótese de desen-

volvimento de um implante biomecânico, é possível obter, a partir de um IPMC, dispositivos

leves e flexíveis que facilitam a adaptação do organismo vivo à prótese. Além disso, como os

IPMCs são ativados com baixos níveis de tensões elétricas (conforme descrito na Seção 2.2),

diminuem-se os riscos de problemas com possíveis choques elétricos no corpo do eventual pa-

32

3.1. MECANISMO DE FUNCIONAMENTO DOS IPMC

ciente, e facilita-se a construção do dispositivo.

Para as aplicações em robótica, outra característica dos dispositivos construídos a partir

de IPMCs os torna uma opção muito interessante. Trata-se da possibilidade de miniaturiza-

ção desses dispositivos atuadores, que permitem pensar em várias aplicações na robótica, tais

como mini robôs de monitoramento e espionagem. A baixa massa específica do material e os

movimentos suaves podem viabilizar projetos de robôs inspirados em pequenos insetos, nos

quais seriam implantadas micro-câmeras para captação de imagens de monitoramento. Ainda

no contexto dessa análise de adequação do material, o fato de realizar uma plataforma robótica

leve abre a possibilidade de implantação de mecanismos semelhantes às asas de insetos para a

construção de pequenos robôs voadores1 (figura 3.1).

Figura 3.1: Mosca robótica, desenvolvida pela Universidade de Harvard.

3.1 Mecanismo de funcionamento dos IPMC

Os IPMCs são basicamente compostos por uma estrutura de filmes em camadas, formando

geralmente uma fita. A camada central consiste de uma membrana fina de um polímero iônico

(usualmente perfluoretilenossulfonatos), com espessuras da ordem de 200µm. Sobre essa ca-

mada central, em suas faces, estão duas camadas metálicas com espessura entre 5 e 10µm.

Essas camadas têm a função de eletrodos de acionamento do IPMC.1Um grupo de pesquisa conseguiu construir um robô voador de 60mg e envergadura de 3cm, ilustrado na figura

3.1. Mas este protótipo ainda não realiza manobras devido a falta de maleabilidade dos atuadores. A substituiçãodestes atuadores por outros baseados de IPMC poderiam permitir estas manobras devido a flexibilidade do material,além de extremamente leves.

33

3.1. MECANISMO DE FUNCIONAMENTO DOS IPMC

Para a camada polimérica, utilizam-se membranas de trocas protônicas (Próton Exchange

Membrane - PEM). Dentre os materiais adequados para essa composição, encontram-se o

Nafion R© (da DuPont), Flemion R© (da Asahi Glass) ou Aciplex R© (da Asahi Chemical). As fór-

mulas químicas estruturais de cada um desses materiais são mostradas na figura 3.2.

Figura 3.2: Fórmulas estruturais dos polímeros (a) Nafion R©, (b) Flemion R© e (c) Aciplex R© [5]

Para compor os eletrodos, através de processos de deposição, devem ser escolhidos ma-

teriais metálicos que suportem muitos ciclos de dobramento, para que o dispositivo possa ter

vida útil compatível com sua aplicação. Como pode ser verificados em diversos trabalhos sobre

construção de dispositivos à base de IPMC [5, 20, 21, 22, 10, 23, 24, 25], há uma preferência na

deposição de metais nobres, tais como ouro ou platina, que apresentam características atraentes

em termos de condutividade, maleabilidade e resistência à oxidação.

Quando uma diferença de potencial é aplicada nos eletrodos de uma amostra em fita de

IPMC hidratado, esses eletrodos metálicos são polarizados com cargas opostas ativando um

campo elétrico sobre a camada central polimérica. A deformação mecânica do dispositivo de

IPMC acontece em razão de dois fenômenos diferentes. Um dos mecanismos de deformação se

deve ao movimento de cátions livres em direção ao cátodo. As membranas de trocas protônicas

são polímeros iônicos com estrutura composta por cátions (geralmente NH4+, Na+, K+ ou

Li+), e esses cátions possuem raios muito pequenos quando comparados com as largas cadeias

carbônicas aniônicas. Por causa dessa diferença significativa de dimensões, os cátions apre-

sentam uma propriedade de mobilidade, enquanto que os grupos aniônicos são fixos dentro da

matriz polimérica. Além disso, nas regiões onde os grupos perfluorados se unem com a cadeia

carbônica nessas estruturas químicas, existem sítios de trocas catiônicas, conforme descrito na

seção 2.2.2. Estes sítios tornam o material polimérico permeável à cátions e estruturas polares,

tais como moléculas de água. Quando ativado, i. e., quando é submetido a uma tensão elétrica, o

eletrodo carregado negativamente (cátodo) atrai cátions, conforme descreve a Lei de Coulomb.

34

3.2. CAPACIDADE DE SENSORIAMENTO DO IPMC

Os cátions móveis migram para o cátodo carregando moléculas de água solvatadas, criando

assim um gradiente de concentração de água. Desta maneira, o cátodo que possui maior con-

centração de água sofre uma expansão, enquanto o ânodo, que passa a ter menor concentração

de água, sofre uma contração, resultando no dobramento do material. Bar-Cohen relata em seu

trabalho a ocorrência de outro fenômeno, de uma difusão reversa (Back diffusion) das molécu-

las de água, devido à acomodação de cargas, que é responsável pela subseqüente relaxação da

membrana [5].

O segundo fenômeno que causa a deformação do IPMC consiste do aparecimento de uma

força elétrica entre as estruturas dentadas dos eletrodos carregados e os grupos aniônicos fixos

da cadeia polimérica do Nafion R©. De acordo com Oguro e outras referências [23, 5, 25, 12, 20,

21], dado que a região superficial do polímero (Nafion R©) possui uma estrutura porosa, quando

os íons metálicos dispersados são reduzidos à forma metálica, são formadas estruturas dentadas

na interface polímero-eletrodo. Quando os eletrodos estão carregados, ocorre uma interação

elétrica entre os grupos aniônicos da cadeia polimérica (que são fixos) e as estruturas dentadas

dos eletrodos, de modo que, na placa carregada negativamente, os grupos aniônicos e os dentes

sofrem repulsão, enquanto que na placa carregada positivamente ocorre atração. Este efeito

se soma ao primeiro mecanismo amplificando o efeito de deformação [20, 21]. A Figura 3.3

ilustra esses fenômenos

3.2 Capacidade de sensoriamento do IPMC

Os IPMC apresentam também outra aplicação funcional, eles podem ser utilizados como sensor

de deformação. Um esforço mecânico sobre uma fita de IPMC gera uma pequena diferença

de potencial nos eletrodos. Esse sinal elétrico pode ser utilizado para determinar o grau de

deformação imposto sobre a membrana.

Essa propriedade é observada porque, quando se aplica um esforço mecânico sobre uma

amostra de IPMC hidratado, ocorre uma mudança na distribuição de cargas em relação ao eixo

neutro da membrana. A expansão de um lado e contração de outro deslocam os cátions móveis

para o lado de menor densidade de cargas. Assim, um lado ficará com carência de cargas

35

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

Figura 3.3: Mecanismos de deformação IPMC

positivas e o outro com excesso delas, gerando um momento dipolo e, conseqüentemente, uma

diferença de potencial que pode ser medida nos eletrodos [12, 5].

Para constatação desse fenômeno, foram realizados somente alguns testes simplificados,

sem o objetivo de caracterizar os dispositivos para sua utilização como sensor. Esses mostraram

que esforços mecânicos aleatórios sobre o material produziram tensões entre 3 e 5mV. Durante

a leitura de sinais, foi observada a presença de muitos ruídos. A partir dessas observações, é

possível afirmar que projetos nessa direção devem incluir a elaboração de circuitos para filtrar

os ruídos e para amplificar os sinais medidos para um nível voltado a uma aplicação específica.

Além disso, um procedimento de calibração dos sensores deverá ser estabelecido utilizando

esforços mecânicos de deformação com magnitude controlada.

3.3 Metodologias para preparação de IPMC

Neste projeto de pesquisa foram testados dois métodos de preparação de amostras de IPMC:

o método proposto por Oguro [23] e método proposto por Preethichandra [25]. Ambos os

36


métodos utilizam Nafion R© como fase polimérica. Além disso, os dois métodos baseiam-se na

migração de íons adsorvidos pela membrana para a superfície, seguida de redução, para obter

os eletrodos de acionamento dos dispositivos. Nesse processo, entretanto, a quantidade de

platina depositada não é suficiente para formar bons eletrodos, fazendo-se necessário depositar

mais uma camada de metal a partir da redução de íons presente na solução. Nessa parte dos

procedimentos, aparece uma distinção dos métodos. No método de Oguro deposita-se mais

uma camada de platina, enquanto que no método de Preethichandra deposita-se uma camada de

prata.

Para analisar e comparar os métodos aqui apresentados, foram realizadas imagens de

microscopia eletrônica de varredura dos eletrodos formados. A comparação entre o desempenho

eletromecânico dos dois métodos é apresentada no próximo capítulo, na seção 4.1.3.

3.3.1 Primeiro método de preparação

No primeiro método utilizado, proposto por Oguro [23], os íons adsorvidos pela membrana são

reduzidos pelo emprego de um agente redutor forte, compondo a primeira camada metálica dos

eletrodos. Em seguida, com o objetivo de melhorar a condutividade e as propriedades mecânicas

dos eletrodos, deposita-se mais uma camada de platina. A membrana é imersa em uma solução

que contem íons de platina que, por sua vez, aderem aos núcleos de platina depositados na

primeira redução. Os íons aderidos são reduzidos pelo emprego de um agente redutor mais

fraco.

Os equipamentos utilizados para a realização da obtenção do IPMC pelo método de

Oguro são:

• Cleaner ultra-sônico;

• Agitador termostatizado (Fisaton);

• Lixa de 800 mesh (Norton)

• Vidraçaria (Beckers, pipetas de precisão, balões volumétricos, provetas, baquetes e pinças);

37


Os reagentes necessários para a realização desse método são:

• Base polimérica: 30cm2 de Nafion 117;

• HCl - ácido clorídrico 0,1N e 2N (preparada a partir de HCl 37%);

• Pt(NH3)4Cl2 - cloreto de amino platina com 2mg de Pt/cm2;

• NH4OH - hidróxido de amônio diluído 5%;

• NaBH4 - borohidreto de sódio diluído5%;

• N2H4 - hidrazina 20%;

• NH2OH-HCl - cloridrato de hidroxilamina diluído 5%1;

• água destilada.

Este método [23] descreve quatro passos básicos para a preparação de fitas de IPMC. A

primeira etapa é a preparação da membrana de Nafion R©. Nessa etapa, após cortar a membrana

nas dimensões desejadas para a aplicação em robótica, esta é lixada com o objetivo de aumentar

a superfície de contato e facilitar a adsorção de íons metálicos que formarão os eletrodos após a

sua redução. O lixamento da membrana também tem como objetivo aumentar a quantidade de

estruturas dentadas, fator que influencia na deformação do IPMC conforme discutido na seção

3.1. A membrana é lixada manualmente com uma lixa de 800 mesh em sentido unidirecional2.

Após o lixar a membrana é possível observar que a superfície fica mais fosca. Ainda nessa etapa,

a membrana é lavada com água destilada no cleaner ultra-sônico por 20 minutos e fervida com

ácido clorídrico 2N para a remoção de impurezas durante 30 minutos. Devido a volatilidade do

HCl, é recomendado que este seja fervido dentro de uma capela e com uma baquete dentro do

recipiente para evitar respingos de bolhas.

Na etapa seguinte, a membrana preparada é mergulhada em uma solução de sal de com-

plexo de amino platina (Pt(NH3)4Cl2 ou de Pt(NH3)6Cl4) que contenha 2 miligramas de platina

1Todos os reagentes utilizados são p.a. (pró análise), merc2No método de Oguro [23] é sugerido que o aumento da superfície seja feito utilizando jato de areia ou lixa.

Quanto à lixa, não existe uma especificação da granulometria. Testes com outras granulometrias são sugeridos.

38


por mililitro de solução. O objetivo é fazer que íons de Pt2+ sejam adsorvidos pela membrana.

O autor recomenda que a solução contenha uma proporção de 3mg de platina por cm2 de mem-

brana. Logo, para uma membrana de 30 cm2, são necessários 45 ml de solução de complexo de

amino platina (utilizamos o Pt(NH3)4Cl2) e 1 ml de NH4OH à 5% para neutralização do meio.

A solução de Pt(NH3)4Cl2 pode ser substituída por uma solução complexo de amino ouro para

a deposição de eletrodos de ouro. A adsorção deve ocorrer em temperatura ambiente durante

uma noite (no mínimo 3 horas). Nesta etapa a membrana deve ser acomodada de maneira que

a adsorção seja mais homogênea possível. É possível perceber um leve inchaço da membrana

após uma noite de adsorção.

No terceiro passo, faz-se a deposição da primeira camada de platina (redução primária).

Nessa etapa, a membrana encharcada de íons de Pt2+ é enxaguada com água destilada e, em

seguida, mergulhada em 180ml de água à 40C1 sob agitação. Imediatamente, 2 ml de um

agente redutor forte, como uma solução de borohidreto de sódio (NaBH4 5%), é adicionada de

30 em 30 minutos por 7 vezes. A cada adição, a temperatura do sistema deve ser ligeiramente

elevada até atingir 60C. Então, adiciona-se 20ml da solução de agente redutor, mantendo a agi-

tação durante 90 minutos à 60C. Gradativamente, os íons adsorvidos pela membrana difundem

para a superfície onde, ao entrar em contato com o agente redutor, são reduzidos a Pt metálico

conforme ilustra a figura 3.4. As reações envolvidas neste processo estão listadas na tabela 3.1.

Nesta etapa, devido à produção de gás hidrogênio, os experimentos devem ser realizados em

lugar arejado ou dentro de uma capela para eliminar o risco de explosões. Imediatamente após a

primeira adição de agente redutor, é possível observar a formação de pequenas partículas negras

de platina sobre a superfície da membrana. A figura 3.5 mostra a membrana antes e depois da

redução primária.

No entanto, a platina depositada nessa etapa (em torno de 0,9mg/cm2, segundo Oguro)

não chega a formar eletrodos que apresentam desempenho satisfatório (em torno de 2,0mg/cm2

é o ideal). Então, na última etapa, é realizado a redução secundária que consiste no crescimento

dos núcleos de platina formados na etapa anterior. Na redução primária, os íons adsorvidos pela

1O agitador termostatizado utilizado nestes experimento possui um potenciômetro para regular a temperatura.Porém o equipamento não possui um sistema de controle de temperatura. Logo, a temperatura foi monitorada como emprego de um termômetro de coluna de mercúrio e o ajuste foi realizado manualmente.

39


Figura 3.4: Ilustração da preparação de amostras de IPMC [5]

Tabela 3.1: Redução primária do eletrodos de Platina no Nafion R© [26]

Figura 3.5: Fotos da membrana antes e depois da deposição

membrana migram para a superfície devido ao aquecimento e a agitação. Estes são reduzidos na

região superficial da membrana, assim que entravam em contato com o agente redutor presente

na solução. Como o objetivo é formar eletrodos, os íons devem ser reduzidos rapidamente,

antes que desprendam da membrana, o que justifica utilizar agentes redutores fortes. Já nesta

etapa de redução secundária, os íons que serão reduzidos se encontram externamente à mem-

brana. Estes devem aderir aos núcleos de platina depositados na redução primária e neste local

40


sofrerem redução. Logo, a aplicação de agentes redutores fortes não é viável, uma vez que estes

transformariam os íons antes que se aderissem aos núcleos, justificando assim, a substituição

por agentes redutores mais fracos.

Para a membrana de 30 cm2 (60 cm2 ambos lados), são necessários 120 mg de Pt. Logo,

após enxaguar a membrana com água destilada, esta é mergulhada em 240 ml de uma solução

de (Pt(NH3)4Cl2) contendo 120 mg de Pt mais 5 ml de NH4OH à 5% (para neutralização) sob

agitação e temperatura em torno de 60C. Um agente redutor mais fraco que o borohidreto de

sódio, usualmente uma mistura de 6 ml de cloridrato de hidroxilamina (NH2OH-HCl) 5% com

3 ml de hidrazina (N2H4) 20%, é adicionado de 30 em 30 minutos, durante 4 horas. Nessa etapa

deve-se tomar cuidado com a hidrazina, uma vez que se trata de uma substância muito tóxica.

É recomendado que esta etapa também seja realizada dentro de uma capela para eliminação de

gases tóxicos da hidrazina e do hidrogênio produzido, assim diminuindo o risco de intoxicação

e explosão. Ao final dessa etapa é possível observar a deposição de eletrodos com coloração

cinza metálica.

Por fim, a membrana é enxaguada com água destilada e fervida em uma solução de ácido

clorídrico 0,1N para a remoção de cátions de amônio. Após isso, os íons H+ do compósito

podem ser trocados por outras espécies de cátions mergulhando a membrana em soluções sali-

nas de cloretos com o cátion desejado. O grupo de pesquisa liderado por Nemat-Nasser [27]

realizou testes de desempenho com vários tipos de IPMC com cátions diferentes e observaram

experimentalmente que o desempenho do IPMC é melhor quando os íons H+ são substituídos

por K+. Assim, após enxaguar a membrana com água destilada, a amostra foi imersa em uma

solução de cloreto de potássio (KCl) 0,5M por uma noite para garantir a troca iônica.

O custo para a síntese de uma amostra de 30cm2 ficou estipulado em torno de 70 reais.

Análise microscópica

A figura 3.6 mostra uma imagem de MEV da interface eletrodo-polímero da amostra obtida

pelo método de Oguro.

A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é uma técnica baseada na detecção de um

41


Figura 3.6: MEV da interface eletrodo-polímero do IPMC obtido pelo método de Oguro

feixe eletrônico que interage com a amostra, e se encontra na forma de um anteparo. O feixe

de elétrons é emitido a partir de um filamento de tungstênio, é colimado por um campo elétrico

forte, e atinge a amostra. Os elétrons sofrem interações elétricas com os elementos presentes

no anteparo, e um sensor detecta os elétrons refletidos a partir destas interações, constituindo a

imagem. Quanto maior o número atômico do elemento, o feixe de elétrons é mais fortemente

repelido, constituindo as partes mais claras da imagem. Por essa razão, o contraste entre a fase

metálica dos eletrodos e a fase polimérica fica bem nítido, uma vez que o número atômico da

platina é bem maior que os elementos presentes na cadeia carbônica. A fase mais clara da foto

representa o eletrodo de platina que se apresenta bem consistente com espessura entre 10 e

12µm. Pela imagem é possível observar algumas partículas e lóbulos dentro da fase polimérica.

A partir de uma análise preliminar, especula-se que as partículas e os lóbulos são defeitos que

ocorreram durante o corte da amostra, tais como rebarbas e migalhas de restos de metal. No

entanto, foi dada prioridade para avaliar a espessura e qualidade de deposição dos eletrodos, e

somente em trabalhos futuros, serão realizadas outras análises para obter mais detalhes sobre

estas formações e a influência destas na eletromecânica do material. Como proposta de análises

futuras, as imagens de MEV devem ser novamente obtidas, porém sobre outros ângulos de

captura. Como a MEV permite obter imagens através de elementos condutores (através dos

eletrodos), caso estas rebarbas e partículas não sejam defeitos de cortes, e sim, resultados de

deposições metálicas ou sais de platina formadas na fase polimérica, estes poderão ser vistos

42


sobre outros ângulos varredura também.

3.3.2 Segundo método de preparação

Na obtenção de amostras de IPMC pelo método de Oguro foram encontradas algumas dificul-

dades, sendo a principal delas, os riscos à saúde durante o manuseio da hidrazina. Este reagente,

que é usado durante a redução secundária da platina (agente redutor), é uma substância de to-

xidade extrema e perigosa, podendo causar queimaduras na pele e intoxicações por inalação e

contato. Sendo assim, foi adotado também um outro método, proposto por Preethichandra [25].

Neste método, o aumento da massa dos eletrodos, na redução secundária, ocorre a partir da

redução de íons de prata. Este método desperta o interesse para sua aplicação na produção de

dispositivos de IPMC, pois a prata, apesar de sofrer oxidação com mais facilidade que a platina,

é significativamente mais barata e a sua redução envolve reagentes menos tóxicos.

Os equipamentos utilizados para a realização da obtenção do IPMC pelo método de

Preethichandra são:

• Cleaner ultra-sônico;

• Agitador termostatizado (Fisaton);

• Lixa de 800 mesh (Norton)

• Vidraçaria (Beckers, pipetas de precisão, balões volumétricos, provetas, baquetes e pinças);

Os reagentes necessários para a realização desse método são:

• Base polimérica: 30cm2 de Nafion 117;

• HCl - ácido clorídrico 0,1N e 2N (preparada a partir de HCl 37%);

• Pt(NH3)4Cl2 - cloreto de amino platina com 2mg de Pt/cm2;

• NH4OH - hidróxido de amônio 1N e diluído 5%;

• NaBH4 - borohidreto de sódio diluído5%;

43


• AgNO3 - Nitrato de prata 1N;

• NaOH - hidróxido de sódio (0,5N);

• C6H12O6 - glicose 0,5 M1;

• água destilada.

Este método segue os mesmo três primeiros passos do método proposto por Oguro,

modificando-se apenas a etapa de aumento de massa dos eletrodos. Nesta etapa, em vez de

aumentar a massa dos eletrodos depositando mais platina, deposita-se uma camada de prata.

Para isso, prepara-se uma solução de nitrato de prata 1N, hidróxido de amônio 1N e hidróxido

de sódio 0,5 N na razão volumétrica de AgNO3 (1N): NH4OH (1N) : NaOH (0,5N) = 1:2:1,22,

sob agitação à 60oC. Após a mistura destes componentes, imediatamente é formada um sedi-

mento marrom escuro que é resultado da formação do complexo de hidróxido de amino prata.

Apesar de não causar queimaduras ou danos graves à saúde, deve-se tomar cuidado com o

manuseio do nitrato de prata e o óxido de prata, pois, em contato com a pele, podem causar

manchas e irritações. Para uma membrana de 30cm2 foi preparado 200ml da mistura e 50ml da

solução de glicose (C6H12O6).

Em seguida, interrompe-se a agitação e a membrana pós redução primária é imersa na

solução mantendo a temperatura entre 50oC e 60oC, e em seguida, faz-se a adição da solução

de glicose 0,5 M. A glicose deve ser adicionada aos poucos (em torno de 2 ml de 60 em 60

segundos) para permitir obter a aderências dos íons de prata nos centros de nucleação e, neste

local, reduzidos à forma metálica. Durante a adição de glicose, a solução modifica a sua co-

loração para marrom claro, que é resultado da formação de partículas de prata. Nesta etapa, é

possível observar a olho nu a formação da fase de prata nos eletrodos, conforme previsto no

método proposto. A glicose deve ser adicionada até que não observe mais o crescimento da

prata no eletrodo, ou mudanças na cor da solução. As reações que ocorreram nesta etapa estão

apresentados na tabela 3.2.

O custo para a síntese de uma amostra de 30cm2 ficou estipulado em torno de 15 reais.1Todos os reagentes utilizados são p.a. (pró análise), merc2Devido ao manuseio do hidróxido de amônio em temperaturas ligeiramente elevadas, recomenda-se que esta

etapa seja realizada dentro de capela, devido o desprendimento do gás de amônia

44


Tabela 3.2: Equações envolvidas na redução secundária durante o preparo dos eletrodos pelométodo de Preethichandra [25]

Análise microscópica

A figura 3.7 mostra uma imagem de MEV da interface eletrodo-polímero da amostra obtida

pelo método de Preethichandra.

Figura 3.7: MEV da interface eletrodo-polímero do IPMC obtido pelo método de Preethichan-dra

A fase mais clara mostrada na imagem da figura 3.7 refere-se à camada de prata e platina

formada na interface com o polímero. Ao longo da superfície do eletrodo formado, identificam-

se várias trincas. Estas são resultados da oxidação da prata, que é facilmente oxidada quando

exposta ao oxigênio do ar. Como produto da oxidação, forma-se o óxido de prata (Ag2O(s))

que, diferente da fase metálica, apresenta características de fragilidade. Assim, durante as

deformações do IPMC, a fase composta por óxido de prata não resiste ao esforço mecânico

levando a ruptura e, conseqüentemente, a formação das trincas. A platina, diferente da prata,

é resistente à oxidação e, em conseqüência disso, não é observado a formação de trincas em

45


eletrodos de platina, conforme é mostrado na figura 3.6.

Enquanto a espessura dos eletrodos formados pelo método de Oguro encontram-se em

torno de 12µm, a espessura dos eletrodos formados pelo método de Preethichandra está em

torno de 8µm. Essa diminuição da massa dos eletrodos resulta em perdas de resistência mecânica.

Em uma análise preliminar, imagina-se que o motivo dessa perda de massa esteja vinculado ao

tempo utilizado para realizar a redução secundária. Pelo método de Oguro, a redução secundária

ocorre ao longo de 4 a 5 horas, com a adição de pequenas quantidades de agente redutor fraco,

de 30 em 30 minutos. Com isso, os íons metálicos têm tempo para aderir aos centros de nucle-

ação, e neste local, serem reduzidos. Este processo é repetido até que todos os íons de platina

presentes na solução sejam consumidos. Já no método de Preethichandra, a redução secundária

é mais rápida e dura em torno de 30 minutos. Isso sugere que não haja tempo hábil para que os

íons alcancem sua aderência aos centros de nucleação, e promovam um aumento significativo

de massa.

Em trabalhos futuros, será interessante realizar experimentos de síntese modificando sis-

tematicamente o tempo de duração da redução secundária. Estes experimentos terão como

objetivo verificar se o tempo de exposição à solução de hidróxido de amino prata e a glicose in-

fluenciam na espessura dos eletrodos, e se a variação da espessura influencia na eletromecânica

do material.

46

Capítulo 4

Experimentos elétricos com os IPMCs

Este capítulo descreve os experimentos realizados para determinar características eletromecâ-

nicas das amostras de IPMC preparadas. Inicialmente, são apresentados experimentos para

analisar a dinâmica do movimento dos dispositivos construídos com o material com o obje-

tivo de determinar parâmetros de controle e fatores que influenciam na dinâmica das amostras.

Também são apresentados experimentos de caracterização elétrica de polímeros condutores:

técnicas de medida DC e AC, para investigar os mecanismos de transporte de cargas, os quais

são responsáveis pela deformação do IPMC. São apresentadas ainda análises preliminares e

conclusões parciais sobre a determinação destes parâmetros.

4.1 Testes de deformação

Nestes experimentos, amostras de IPMC preparadas por procedimentos de síntese diferentes,

são submetidas às mesmas condições elétricas para fazer uma comparação entre seus desem-

penhos eletromecânicos. O desempenho eletromecânico das amostras de IPMC é determinado

a partir dos raios de curvatura e velocidades de deformação, que são fatores muito relevantes

para aplicações em robótica. As comparações são também utilizadas para identificar fatores

relacionados com os procedimentos de síntese que influenciam no desempenho das amostras.

Futuramente estes resultados serão utilizados para elaborar novos procedimentos de síntese que

resultem em IPMCs com propriedades eletromecânicas mais adequadas às aplicações de inte-

47

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

resse.

4.1.1 Procedimento experimental (Setup)

Gerador de sinais

Os sinais de tensão elétrica que são aplicados nos eletrodos das amostras de IPMC são gerados

por um sistema de geração e aquisição de sinais, com conexão USB, da National Instruments:

a placa de aquisição e transmissão de sinais NI-6009. Este sistema possui terminais analógicos

e digitais para geração e aquisição de sinais, e tem interface com o ambiente de programação

do Labview, que permite a elaboração e simulação de circuitos virtuais. Estes circuitos são

elaborados a partir de blocos, que realizam operações lógicas ou contém instrumentos virtuais,

compondo uma ferramenta que oferece uma interface simples ao usuário (figura 4.1). O mesmo

sinal produzido nas simulações pelos circuitos virtuais, pode ser fisicamente reproduzido nos

terminais do NI-6009. A utilização deste recurso permite que vários tipos de circuitos com

parâmetros diferentes, como tensão, corrente e freqüência, sejam construídos modificando ape-

nas a programação, o software, sem a necessidade de alterações no circuito físico, o hardware.

Com isso, os experimentos foram realizados mais rapidamente, uma vez que não ocorreram

atrasos relacionados à construção do hardware e a problemas vinculados com a identificação de

componentes com mal funcionamento e mal contato.

Figura 4.1: Sistema de aquisição e geração de sinais NI-6009 da National Instruments e am-biente de programação Labview

48


Circuito seguidor de tensão

Aplicou-se uma uma diferença de potencial de 2 volts sobre os eletrodos do IPMC e os valores

de tensão elétrica, sobre os eletrodos, foram monitoradas. Ao conectar a amostra de IPMC

ao circuito, foram observadas grandes quedas de tensão sobre os eletrodos e, por outro lado,

a membrana não apresentou grandes deformações. Como a deformação dos IPMCs depende

do nível de polarização, as causas dessas quedas foram investigadas. Na análise, foi verificado

que isso ocorre devido à baixa impedância do IPMC. Dado um circuito elétrico simples com

gerador e resistência elétrica, ao conectar outra resistência em série, a tensão aplicada sobre

cada resistência é dividida proporcionalmente aos seus valores nominais. Logo, ao conectar o

IPMC que apresenta uma pequena resistência, somente uma pequena tensão será aplicada sobre

esta, justificando as quedas de tensão.

Para evitar estas quedas de tensão sobre o IPMC, foi conectado, entre a membrana e o

gerador, um circuito seguidor de tensão (figura 4.2), também chamado de buffer. Estes circuitos

são caracterizados por possuírem um meio de isolar o sinal de entrada de uma carga, neste caso o

IPMC, utilizando um estágio de ganho unitário sem inversão de fase ou inversão de polaridade,

e agindo como um circuito ideal de impedância de entrada muito alta e impedância de saída

baixa [28]. O circuito proposto foi construído a partir de amplificadores operacionais CI741.

Figura 4.2: Circuito seguidor de tensão utilizando amplificador operacional CI741

Com o circuito seguidor de tensão conectado ao sistema, ao aplicar uma tensão de 2 volts,

imediatamente, a amostra de IPMC apresentou grandes deformações. Ao monitorar as tensões

sobre os eletrodos do IPMC e do gerador, foi verificado que a tensão sobre os eletrodos, nos

instantes iniciais, era menor que a tensão de referência, mas logo depois, se igualou ao valor de

referência.

Com isso, apesar dos atrasos observados, conclui-se que o circuito seguidor de tensão

49


é eficiente, uma vez que este evitou as quedas de tensão causadas pela baixa impedância do

IPMC, e garantiu grandes deformações para as amostras testadas. Quanto ao atraso observado

entre as tensões nos eletrodos e nos terminais do gerador, em uma análise preliminar, imagina-

se que está vinculado ao tempo necessário para a migração de cargas que causam a deformação.

Uma análise mais detalhada sobre estes atrasos será apresentada na seção 4.2.

Sistema de controle

A seção 3.1 apresentou que, quando uma diferença de potencial é aplicada sobre os eletrodos do

IPMC, o lado polarizado com carga negativa sofre expansão e o outro lado contração, curvando

o material para o sentido do eletrodo carregado positivamente. Com base neste princípio, o sen-

tido de deformação pode ser invertido quando a polarização dos eletrodos também for invertida.

Com a finalidade de controlar o sentido de deformação das amostras de IPMC, foram propostas

duas estratégias que permitem aplicar valores controlados de tensão e alternar a polarização dos

eletrodos.

A primeira estratégia testada utiliza dois terminais analógicos do NI-6009, de modo que

cada terminal controla a polarização de um único eletrodo. Estes terminais são polarizados

alternadamente, de modo que, a cada ciclo, um terminal é polarizado e o outro não, permitindo

a inversão da polarização dos eletrodos. O sinal gerado pelos dois terminais e a deformação

esperada no IPMC está ilustrado na figura 4.3.

No entanto, os testes de validação desta estratégia foram interrompidos, pois foi verifi-

cado que um dos dois terminais do NI-6009 não estava operando regularmente. Desta maneira,

a continuidade desse teste será realizada em trabalhos futuros, com a finalidade de comparar o

seu desempenho com outros sistemas de controle.

A outra estratégia utiliza apenas uma saída analógica do NI-6009, e foi elaborada devido

à necessidade de limitar o número de terminais. Nesta montagem, um dos eletrodos é aterrado

e o outro é conectado ao gerador de sinais que deverá produzir tensões positivas e negativas.

No entanto, o NI-6009 não produz tensões negativas. Por essa razão, foi elaborado um circuito

de subtração de tensões (figura 4.4). Nesta estratégia, o gerador de sinais produz tensões exclu-

50


Figura 4.3: Sinal gerado nos dois terminais do gerador e a deformação esperada no IPMC

sivamente positivas, e o circuito proposto subtrai um determinado valor de tensão deslocando

a referência e permitindo tensões positivas e negativas. Por exemplo, para produzir uma onda

quadrada de valor médio nulo e amplitude de 2,5 volts, em um dos terminais do circuito de

subtração de tensão (Vlab), é aplicado o sinal do gerador que deve produz uma onda quadrada

que varia a tensão de 0 a 5 volts. No outro terminal (Vre f ), é aplicada uma tensão de 2,5 volts,

e este valor será subtraído da onda quadrada. Assim, quando a tensão do gerador for de 0 volts,

na saída do circuito (Vout) será produzida uma tensão de -2,5volts e quando a tensão do ge-

rador for de 5 volts, na saída será produzida uma tensão de +2,5 volts. A figura 4.5 mostra o

deslocamento dessa onda quadrada pelo emprego de um circuito de subtração de tensão.

O circuito de subtração de tensões apresentado também permite que a diferença entre as

tensões de entrada seja amplificada [28]. A amplificação pode ser calculada pela equação 4.1:

51


Figura 4.4: Circuito de subtração de tensões utilizando amplificador operacional

Figura 4.5: Deslocamento da onda quadrada gerada no NI-6009 para valores negativos

Vout =R3

R1 +R3.R2 +R4

R2.Vre f − R4

R2.Vlab (4.1)

Para R1=R2=10kΩ e R3=R4=22kΩ, temos uma amplificação de 2,2 vezes conforme

mostrada na equação 4.2:

Vout =22k

10k +22k.10k +22k

10k.Vre f − 22k

10k.Vlab = 2,2(Vre f −Vlab) (4.2)

O circuito de subtração de tensões foi construído utilizando amplificadores operacionais

52


CI741 e foi acoplado em série entre o gerador de sinais e o circuito seguidor de tensão, conforme

mostra a figura 4.6.

Figura 4.6: Esquema elétrico do circuito de subtração de tensões e seguidor de tensão

4.1.2 Influência no sentido de lixamento na deformação do IPMC

Conforme apresentado na seção 3.1 (segundo Bonomo et. al. [20, 12, 21]), as estruturas den-

tadas e o grupo aniônico fixo do polímero eletroativo sofrem interações elétricas ampliando o

efeito da deformação. Estas estruturas dentadas são formadas nos poros presentes na superfície

do Nafion [5, 20], e também nas ranhuras criadas no lixamento da membrana, durante o proce-

dimento de síntese das amostras. Com a finalidade de verificar qualitativamente a influência

da quantidade de estruturas dentadas na deformação dos IPMCs, foram comparadas as defor-

mações de amostras de IPMC cortadas em fitas e lixadas em sentidos diferentes. Baseado na

explicação de Bonomo, espera-se que as fitas lixadas no sentido horizontal apresentem maiores

deformações que as lixadas verticalmente, já que a primeira possui mais estruturas dentadas no

sentido de deformação.

Sobre duas amostras de IPMC preparadas pelo método de Preethichandra, com dimensões

de 20mm x 5mm x 200µm e lixadas em sentidos diferentes, foi aplicada simultaneamente, uma

53


tensão constante (degrau) de 2,1 volts. Ambas as amostras deformaram, e é possível observar na

figura 4.7 que a membrana lixada horizontalmente (à esquerda) sofreu uma deformação maior

em relação à lixada verticalmente (à direita). A partir destas observações, conclui-se que o

raio de curvatura referente à deformação de uma amostra de IPMC é maior, quanto maior a

quantidade de estruturas dentadas no sentido da deformação.

Figura 4.7: Foto do experimento com as amostras lixadas no sentido horizontal (lado esquerdo)e vertical (lado direito)

Em projetos futuros serão investigados métodos para dimensionar a quantidade de es-

truturas dentadas e quantificar a sua influência no desempenho eletromecânico de amostras de

IPMC.

4.1.3 Deformação do IPMC em função do tempo

Este teste tem como objetivo verificar a deformação de amostras de IPMC em função da tensão

aplicada. Inicialmente foi aplicado um degrau de 2 volts sobre uma amostra de IPMC preparada

pelo método de Preethichandra com dimensões de 35mm x 2mm x 200µm. A figura 4.8 mostra

a curvatura do IPMC em função do tempo. As amostram estavam armazenadas em água desti-

lada.

Pela figura é possível observar que nos instantes iniciais a amostra se deforma rapida-

mente, e após algum tempo, a velocidade da deformação fica cada vez menor. Em uma análise

54


Figura 4.8: Deformação do IPMC em função do tempo

preliminar, imagina-se que imediatamente após polarizar os eletrodos do IPMC ocorre um

grande fluxo de íons no interior da membrana, o que justifica a rápida deformação. Porém,

com o transcorrer do tempo, os grupos iônicos com maior mobilidade se acomodam de um

lado da membrana e praticamente não se espera mais movimento destes, restando apenas o

movimento de outros grupos que apresentam menor mobilidade na matriz polimérica. Isto ex-

plica porque a velocidade de deformação da amostra diminui com o tempo, porém uma análise

mais aprofundada se faz necessária. Na seção 4.2 são mostrados testes mais aprofundados para

verificação de mobilidade destes grupos iônicos.

Antes de iniciar a etapa de obtenção de parâmetros para elaboração do sistema de controle

de posição e velocidade dos atuadores de IPMC, o experimento foi repetido com a mesma

amostra apresentada na figura 4.8, para verificar a repetibilidade do resultado. Porém, nenhum

dos testes apresentou o mesmo resultado. Como a vida útil destes materiais pode ser curta,

os testes foram repetidos com amostras novas, ainda não submetidas a campo elétrico, mas

mesmo assim não foram obtidos os mesmos resultados. Como os resultados não apresentam

repetibilidade significativa, não foi possível obter parâmetros de controle. Com o objetivo de

especular este comportamento das amostras, foram levantadas algumas hipóteses:

• As cargas com menor mobilidade se encontravam em uma posição diferente da inicial,

interferindo na migração das cargas com maior mobilidade.

• Como as amostras em fitas foram recortadas a partir de uma amostra de 5cm x 6cm, existe

a possibilidade da qualidade de deposição ser diferente de acordo com a posição em que

55


a amostra foi recortada, influenciando no desempenho eletromecânico destas.

• Como não houve nenhum controle do tempo de exposição das amostras ao ar, existe a

possibilidade das amostras desidratarem, modificando o desempenho.

• Como não houve controle das condições de armazenamento das amostras, existe a possi-

bilidade das concentrações dos grupos iônicos sofrerem modificações.

O levantamento destas hipóteses reforça a necessidade de compreender os mecanismos

de transporte de cargas na fase polimérica da amostra (seção 4.2).

Comparação de deformação entre as amostras preparadas pelos métodos por Oguro e

Preethichandra

Outro teste foi proposto com o objetivo de comparar a deformação de IPMCs preparados pelos

métodos de Preethichandra e Oguro. Como visto seções 3.3.1 e 3.3.2, ambos métodos deposi-

tam uma camada de platina na redução primária. No entanto, a quantidade de metal depositado

nesta etapa não forma eletrodos de boa qualidade, o qual se faz necessário o crescimento da

massa dos eletrodos. No método de Oguro, deposita-se mais uma camada de platina, e no

método de Preethichandra, uma camada de prata. O foco deste teste é verificar se o material

depositado nos eletrodos, durante a redução secundária, influencia no nível de deformação.

Aplicou-se sobre as amostras um sinal de onda quadrada de amplitude 2,1V com uma

freqüência de 0,2Hz. Escolheu-se uma baixa freqüência devido ao tempo necessário para a

migração de cargas discutida no experimento anterior. As dimensões da amostra de IPMC

foram de 35mm x 2mm x 200µm. As figuras 4.9 e 4.10 mostram as amostras preparadas pelo

método de Preethichandra e Oguro, respectivamente, deformadas no ciclo de tensão negativa e

positiva. As figuras 4.11 e 4.12 mostram os gráficos dos valores dos ângulos de curvatura das

amostras preparadas pelo método de Preethichandra e Oguro durante a deformação. Os ângulos

de curvatura foram medidos a partir da normal da reta que une a extremidade da amostra ao

terminal elétrico.

Nos gráficos das figuras 4.11 e 4.12 é possível observar que a amostra preparada pelo

método de Oguro apresentou deformação máxima em torno de 45, e a preparada pelo método

56


Figura 4.9: Deformação do IPMC obtido pelo método de Preethichandra em função do tempo

Figura 4.10: Deformação do IPMC obtido pelo método de Oguro em função do tempo

de Preethichandra, em torno de 35. Considerando os métodos adotados, o procedimento

baseado no método de Oguro produziu amostras com desempenho melhor. Em projetos fu-

turos, estão planejadas modificações para o método de Oguro e Preethichandra na tentativa de

melhorar o desempenho das amostras.

Durante os experimentos, foi observado que amostras encontravam-se esticadas dentro

da solução de armazenamento e, imediatamente após retirá-las da solução, estas começaram a

curvar, mesmo na ausência de um campo elétrico. Esta deformação é causada pela desidratação

da amostra, semelhante a um enrugamento. Após a aplicação de um campo alternado, foi

verificado que as deformações das amostras eram maiores e mais rápidas no sentido em que

se encontravam inicialmente curvadas. Ao monitorar a tensão dos terminais do gerador e as

tensões sobre os eletrodos, foi verificado que, durante a deformação no sentido inicialmente

curvado, as tensões sobre os eletrodos rapidamente se igualaram com a referência. Já no sentido

contrário, além da deformação da amostra ser menor e mais lenta, as tensões nos eletrodos

demoravam a se igualar com a referência. Em uma análise preliminar, foi levantada a hipótese

que estas observações estão relacionadas com a maior facilidade de acomodação dos grupos

57


Figura 4.11: Gráfico do ângulo normal da reta que une os terminais elétricos e a extremidadeda amostra para o IPMC de Preethichandra

Figura 4.12: Gráfico do ângulo normal da reta que une os terminais elétricos e a extremidadeda amostra para o IPMC de Oguro

iônicos no sentido em que a amostra se encontra espontaneamente curvada. Análises mais

detalhadas sobre os fenômenos observados serão apresentadas na seção seguinte.

4.1.4 Deformação em função da freqüência

Ao se aplicar um campo elétrico oscilatório sobre uma amostra de IPMC, é esperado que este

se deforme em um movimento também oscilatório. O experimento aqui descrito tem o objetivo

58

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

de verificar como a amostra de IPMC se deforma em função da freqüência. Aplicou-se uma

tensão na forma de uma onda quadrada de amplitude de 2 volts, e observou-se a deformação

do material em função da freqüência da onda. Os resultados apresentados na seção anterior

são referentes ao experimento realizado com freqüência de 0,2Hz. Para freqüências de até

5Hz, o material apresentou deformações com raios de curvaturas praticamente constantes, e se

deformava rapidamente nas posições intermediárias e, vagarosamente nas extremidades. Porém,

para freqüências superiores a 5Hz a deformação das amostras ficavam menores, mostrando

claramente uma redução de deformação com o aumento da freqüência.

De acordo com os mecanismos que provocam a deformação, apresentados na seção 3.1,

espera-se que a deformação da amostra seja maior quando houver uma grande diferença de

concentração de água em suas extremidades. Em uma análise preliminar, foi possível con-

cluir que o material apresenta grandes deformações para tensões em baixas freqüências, pois

o intervalo de tempo para os cátions se moverem, de uma extremidade a outra, é menor que

o período do campo elétrico. Porém, em campos elétricos de freqüência elevada, os cátions

não dispõem deste intervalo de tempo relativamente longo para migrar entre as extremidades.

Conseqüentemente, os cátions ficam oscilando em torno de um ponto estacionário no meio

da membrana, causando apenas deformações de amplitude reduzida. Esse comportamento é

esquematicamente mostrado na figura 4.13.

4.2 Caracterização elétrica dos IPMCs

A condução elétrica em polímeros pode ser explicada por vários mecanismos de transporte de

portadores de carga. Dependendo do polímero e da maneira em que o material é sintetizado,

estes mecanismos podem ser diferentes e relacionados aos movimentos de cargas livres ou de

cargas ligadas (dipolos). Para aplicações tecnológicas, conhecer essas propriedades elétricas é

de fundamental importância.

Na seção anterior foram observados comportamentos do material que, para a sua des-

crição, necessitam de uma melhor compreensão dos fenômenos de transporte de portadores

de carga que ativam os movimentos dos IPMCs. Os experimentos abaixo têm como objetivo

59


Figura 4.13: Movimento esperado pelos íons e a deformação da amostra de IPMC em camposelétricos de baixa freqüência e alta freqüência

obter resultados preliminares de curvas de resposta elétrica do dispositivo e especular os meca-

nismos de transporte de portadores de cargas no interior da membrana. Foram realizados dois

experimentos elétricos: medidas elétricas em campo contínuo (medidas DC) e campo alternado

(medidas AC).

4.2.1 Medidas DC

Durante a condução elétrica nos materiais poliméricos, portadores de cargas migram ao longo

da matriz polimérica, sofrendo interações de defeitos e regiões cristalinas, armadilhas (traps),

cargas acumuladas e distorções da cadeia. Essas interações influenciam em sua mobilidade, e

que por sua vez, modifica a condutividade do material. Existem, basicamente, duas situações

60


de migração no interior da matriz polimérica, via mecanismo de salto de portadores de carga,

que em geral é válida para polímeros semicondutores. A primeira trata de portadores de carga

idênticos sofrendo interações de barreiras de energia diferentes, os quais seriam representados

pelos defeitos nas regiões cristalinas, traps, cargas acumuladas e distorções da cadeia. A outra

situação trata de portadores de carga diferentes, representados por elétrons, vacâncias, e grupos

iônicos, sofrendo interações de barreiras energéticas idênticas.

A técnica de medidas de corrente contínua tem como objetivo determinar as característi-

cas elétricas de materiais sob a influência de um campo elétrico contínuo e, portanto, informação

sobre o produto entre a densidade de cargas e a mobilidade dos portadores de carga. A técnica é

baseada no monitoramento da densidade de corrente elétrica, ao longo de um filme polimérico,

em função de uma tensão contínua aplicada sobre a amostra. A tensão sobre o material é in-

crementada a uma taxa controlada pelo equipamento, e o valor da corrente elétrica produzida é

armazenada.

Algumas referências [29, 30, 31] ainda apontam o modelo de "corrente limitada por car-

gas espaciais" - SCLC do inglês Space Charge Limited Current, adequado para o estudo de

materiais compósitos do tipo eletrodo/polímero/eletrodo. Este modelo considera os eletrodos

como ôhmicos, ou seja, de resistência desprezível1, de modo que características elétricas do

dispositivo sejam determinadas basicamente pelo volume polimérico. Segundo Mott e Gurney

[29], para polímeros condutores isentos de traps, onde o transporte de cargas é feito por apenas

um tipo de portador, a variação da densidade de corrente é linear com relação ao quadrado da

tensão aplicada dividido pelo cubo da espessura da amostra, conforme mostra a equação 4.3.

J =9εεoµ

8V 2

d3 (4.3)

onde ε0 é a permissividade no vácuo, εr é a constante dielétrica do material, µ é a mobi-

lidade dos portadores e d a espessura do material. Caso o gráfico J x V2/d3 formar uma reta, é

possível concluir que o mecanismo de transporte de portadores de carga no material obedece ao

modelo de SCLC e, a partir do coeficiente angular do gráfico, é possível determinar o produto

1No caso dos IPMC isso é viável, uma vez que eletrodos de platina são excelentes condutores

61


entre a densidade de cargas e a mobilidade dos portadores de carga.

O equipamento utilizado para estas medições foi um eletrômetro Keithley 6517A Elec-

trometer/High Resistance Meter. Este equipamento mede valores de corrente elétrica em função

da tensão aplicada, que pode variar de 1µV a 210V. Inicialmente, para uma amostra preparada

pelo método de Oguro com dimensões de 4cm x 1cm x 200mum, o equipamento foi ajustado

para varrer valores de tensão de 0 à 1 volt, com incremento de 2mV a cada 10 segundos (delay).

O gráfico de corrente versus tensão, e densidade de corrente versus V2/d3 estão apresentados

nas Figuras 4.14 4.15 respectivamente.

Figura 4.14: Medidas DC da densidade de corrente versus tensão, varrendo o intervalo de 0 a 1volt com incremento de 2mV e delay de 10 segundos

Outros experimentos de medida da densidade de corrente versus V2/d3, com a mesma

amostra e condições semelhantes, foram realizados com a finalidade de conferir a repetibilidade

dos resultados. Os gráficos das figuras 4.16, 4.17, 4.18 e 4.19 mostram os resultados obtidos.

Observando os gráficos de densidade de corrente (J) versus V2/d3 das Figuras 4.15, 4.17,

e 4.19 observam-se que seus aspectos não são lineares, invalidando o modelo de SCLC. Com

estes resultados, é possível em uma análise preliminar, fazer as seguintes especulações:

• Durante os experimentos, fatores como a oxidação dos eletrodos ou contatos mal feitos

62


Figura 4.15: Medidas DC da densidade de corrente (J) versus V2/d3, varrendo o intervalo de 0a 1 volt com incremento de 2mV e delay de 10 segundos

Figura 4.16: 2 Experimento de medidas DC da densidade de corrente versus tensão, varrendoo intervalo de 0 a 1 volt com incremento de 1 mV e delay de 10 segundos

podem acumular cargas que contribuíram para desviar os resultados obtidos do modelo

de SCLC;

• De acordo com Bar-Cohen [5, 6], dependendo do nível de tensão, a água presente na

63


Figura 4.17: 2 Experimento de medidas DC da densidade de corrente (J) versus V2/d3, var-rendo o intervalo de 0 a 1 volt com incremento de 1 mV e delay de 10 segundos

Figura 4.18: 3 Experimento de medidas DC da densidade de corrente versus tensão, varrendoo intervalo de 0 a 0,6 volt com incremento de 2 mV e delay de 10 segundos

amostra sofre eletrólise. Os gases produzidos podem modificar a distribuição de cargas

no meio e também podem acumular cargas, desviando os resultados;

• Durante a preparação das amostras, pequenas rugosidades do material podem gerar ten-

64


Figura 4.19: 3 Experimento de medidas DC da densidade de corrente (J) versus V2/d3, var-rendo o intervalo de 0 a 0,6 volt com incremento de 2 mV e delay de 10 segundos

sões residuais, que por sua vez, influenciam na mobilidade dos portadores de carga;

• Além dos cátions móveis, possivelmente existem outros grupos com menor mobilidade.

A cada posição ocupada por estes portadores de carga com menor mobilidade, a o trans-

porte dos cátions móveis varia significativamente;

Com essa análise preliminar, não é possível chegar a conclusões mais consistentes. Como

o planejamento inicial desta dissertação não contava com estes testes, propõem-se estudos mais

profundos em trabalhos futuros. Estes testes podem ser realizados novamente com os devi-

dos cuidados com os problemas mencionados em relação aos eletrodos, tais como oxidação,

contatos mal feitos e rugosidades. Após estes experimentos, caso o modelo SCLC não tenha

correspondência com os resultados obtidos, uma revisão e implementação de outros modelos

deverão ser realizadas.

65


4.2.2 Medidas AC

O princípio da técnica de medidas AC, ou espectroscopia de impedância, consiste em aplicar

uma perturbação senoidal de tensão, de pequena amplitude e de freqüência ω , sobre uma

amostra polimérica de faces planas e metalizadas. Em resposta a este sinal, uma corrente alter-

nada é gerada e, de acordo com as leis de Ohm, é possível então determinar a impedância do

material Z [32, 33, 34]. A impedância do material é medida em função da freqüência, geral-

mente, valores entre 107 a 10−4Hz, com o objetivo de verificar a maneira como os portadores

de carga presentes na matriz polimérica reagem ao campo elétrico alternado. Em freqüências

elevadas, somente os portadores com maior mobilidade conseguem migrar em fase com a refe-

rência, ou seja, os portadores de carga migram de uma extremidade a outra da matriz polimérica,

em um tempo característico menor que o período do campo oscilatório. Já os portadores com

menor mobilidade, não dispõem deste intervalo de tempo relativamente longo para migrar entre

as extremidades. Com isso, uma defasagem de corrente elétrica é observada devido à diferença

de mobilidade dos portadores de carga presentes na matriz polimérica. Esta defasagem pode

ser detectada pelo equipamento, o que torna conveniente representar a impedância em termos

complexos, conforme mostra a equação 4.4

Z( f ) = Zreal( f )+ jZcomplexo( f ) (4.4)

Uma estratégia comumente utilizada para interpretação dos dados obtidos é a associação

dos valores de defasagem obtidos, com valores de impedância de um circuito elétrico equi-

valente. Seja um circuito com resistências e capacitores (circuito RC paralelo), a resistência

equivalente é dada pela equação 4.7.

1Zeq

=1

ZR+

1Zc

=1R

+1

− j/ωC=

1R

+ jωC (4.5)

Zeq =1+ jωRC

R(4.6)

66


Zeq =R

1+ jωRC=

R1+ω2R2C2 − j

ωR2C1+ω2R2C2 (4.7)

A partir destes valores de impedância é possível determinar os valores de capacitância, ad-

mitância e condutividade que podem facilitar a resolução de problemas físicos e a compreensão

dos mecanismos de transporte dos portadores de carga. Na tabela 4.1, são mostradas, em título

de ilustração, algumas funções que podem ser obtidas a partir do conhecimento experimental

das componentes real e imaginária da impedância de uma amostra de faces planas paralelas

com espessura `, e área A.

Tabela 4.1: Funções complexas obtidas a partir das componentes da impedância complexa[32].

O equipamento utilizado para essa medida foi o Impedanciômetro Solartron 1260 Impe-

dance/ Gain Phase Analyser, que permite aplicação de uma amplitude de tensão de 0 a 3 V em

um intervalo de freqüência de 10 µHz a 32 MHz.

Nos testes de medida AC, o equipamento foi ajustado para varrer freqüências de 107 à

10−4 Hz, com amplitude de 1 volt. A cada ciclo foram realizadas 10 medições. O gráfico de

impedância versus freqüência está representado na figura 4.20.

Esses resultados não são capazes de fornecer informações mais conclusivas, pois os va-

lores impedância ficaram muito próximos de 75Ω que é a impedância dos cabos, segundo o

manual do equipamento utilizado [35]. A baixa resistência pode ter sido causada por algum

curto circuito entre os eletrodos. Entretanto, apesar da baixa resistência, foi possível observar

a deformação do material em baixas freqüências (valores abaixo de 20 Hz), fornecendo as-

sim algumas conclusões qualitativas. Como sugestões para trabalhos futuros, será interessante

67


Figura 4.20: Medidas AC varrendo freqüências de 107 à 10−4 Hz com amplitude de 1 volt

realizar uma revisão sobre esta técnica e modelos e uma revisão no preparo das amostras.

68

Capítulo 5

Conclusões e discussões

Este trabalho tratou da aplicação dos princípios de biomimética aplicados no desenvolvimento

de dispositivos para robótica e bioengenharia, principalmente sistemas de acionamento e movi-

mentação alternativos àqueles baseados em motores elétricos rotacionais e junções, visando

obter suavidade e flexibilidade nas ações.

A proposta aqui apresentada baseia-se em polímeros eletroativos - EAPs, materiais ca-

pazes de modificar sua forma e dimensões quando submetidos a um campo elétrico, e realizar

movimentos suaves. Os EAPs constituem uma excelente alternativa para a construção de atu-

adores leves, flexíveis e, em alguns casos, baratos, e ainda permitem aplicações na construção

de sensores, uma vez que são excelentes conversores de energia mecânica em energia elétrica.

Foi apresentado os diversos tipos de EAPs e seus respectivos mecanismos eletroquímicos e/ou

eletromecânicos que provocam a deformação do material.

Dentre os EAPs, foi dado destaque aos compósitos iônicos polímero-metal - IPMCs, por

constituírem uma excelente alternativa para ser utilizado em projetos de dispositivos biomiméti-

cos. O IPMC é constituído de uma fase de polímero eletroativo entre eletrodos de metais

nobres. Mecanismos de migração de cargas e interações elétricas, ativadas por um campo

elétrico, provocam a deformação deste material. Foi apresentada uma descrição detalhada de

duas metodologias experimentais para o preparo de IPMCs, o métodos propostos por Oguro

e Preethichandra, incluindo uma análise comparativa das amostras preparadas. Imagens de

MEV da interface eletrodo-polímero mostraram que os eletrodos depositados pelo método de

69

Preethichandra são menos consistentes que os eletrodos preparados pelo método de Oguro, além

de apresentar inúmeras rachaduras em sua superfície, provavelmente resultantes da oxidação da

fase de prata. A diferença de consistência dos eletrodos foi atribuída ao tempo gasto na re-

dução secundária. Também foram comparados os desempenhos eletromecânicos das amostras

preparadas, e foi verificado que as amostras preparadas pelo método de Oguro apresentam

uma deformação maior que as demais. Com isso, é possível concluir que, considerando os

procedimentos adotados, o método de Oguro permite a síntese de amostras com desempenho

eletromecânico melhor que as amostras preparadas pelo método de Preethichandra.

A verificação da influência da quantidade de estruturas dentadas na deformação do ma-

terial foi realizada através de uma comparação experimental de amostras com características

diferentes. Observou-se que amostras de IPMC lixadas em sentido horizontal deformam mais

que as lixadas no sentido vertical. Como essas amostras possuem uma quantidade de estru-

turas dentadas maior, é possível concluir que a deformação de IPMCs é maior, quanto maior a

quantidade de estruturas dentadas no sentido de deformação.

Em experimentos realizados para observar a deformação das amostras submetidas a uma

tensão elétrica oscilatória. Verificou-se que a deformação é maior para freqüências baixas.

Em uma análise preliminar, concluiu-se que os cátions móveis demoram um certo intervalo de

tempo para migrar de uma extremidade a outra, e provocar grandes deformações. Esse atraso

na resposta justificaria o comportamento do material observado.

No entanto, os resultados obtidos não se repetiram em outros experimentos com as mes-

mas condições. Foram levantadas hipóteses vinculadas à interferência dos grupos com menor

mobilidade sobre os grupos com maior mobilidade, deposição metálica heterogênea e modifi-

cações físico-químicas durante o armazenamento e experimentos. Visto que estes fatores estão

relacionados com os mecanismos de transporte de portadores de carga, foram propostos dois

experimentos: as medidas DC e AC. Desses experimentos, foram obtidos gráfico J vs V2/d3,

com as medidas DC, com o objetivo de verificar se os mecanismos de condução de portadores

de carga do IPMC obedecem o modelo de corrente limitada por cargas espaciais - SCLC. No

entanto, os resultados preliminares invalidaram esse modelo, o que sugere que a metodologia

seja revisada, e/ou novos modelos sejam testados em trabalhos futuros.

70

5.1. TRABALHOS FUTUROS

No que se refere às medidas elétricas em campo alternado (AC), foi verificado que a

impedância do IPMC é muito próxima à impedância dos cabos, impedindo que conclusões

relevantes sejam alcançadas com relação a esses testes. Apesar de não ter sido esse um foco do

estudo, é possível concluir, a partir dos resultados preliminares, que esse tipo de teste merece um

aprofundamento, e que pode esclarecer detalhes importantes da fenomenologia da deformação

dos IPMCs.

5.1 Trabalhos futuros

Observando os resultados obtidos no desenvolvimento do estudo, em termos de projeto de con-

troladores dos dispositivos de acionamento baseados em IPMC, ainda não foi possível obter

com precisão valores dos parâmetros de controle de posição e velocidade, mas foi possível

verificar suas limitações e seu potencial para aplicações em robótica e bioengenharia.

Uma sugestão para trabalhos futuros, que se pretende seguir na seqüência deste estudo,

é projetar e construir atuadores miniaturizados para aplicações em robótica e bioengenharia,

utilizando IPMCs, como os construídos durante esse estudo. Esse trabalho implicará em um

aprofundamento na busca de obtenção de atuadores menores e capazes de realizar esforços

mecânicos de maiores magnitudes, ampliando assim suas capacidades de acionamento. Especi-

ficamente no caso de aplicações em bioengenharia, far-se-ão necessários estudos detalhados de

biocompatibilidade, dada a possibilidade de implantar dispositivos artificiais no corpo, e colocar

o IPMC em contato direto com sistemas biológicos vivos.

Conforme as observações realizadas e as conclusões sobre os testes elétricos realizados no

estudo, colocam-se como necessários trabalhos futuros dando continuidade a esse tipo de expe-

rimento, para revisar procedimentos e técnicas, e aprofundar a compreensão da fenomenolo-

gia. E, evidentemente, trabalhos relacionados à síntese do material, também serão sempre

interessantes, pois poderão resultar em melhoria no desempenho eletromecânico do material,

permitindo ampliar e aprimorar suas aplicações na construção dos dispositivos de acionamento.

71

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35 MANUAL do Solartron. [S.l.].

75

Apêndice A

Desenvolvimento de um anuro robótico

com atuadores baseados de músculos

artificiais de EAPs

Artigo aceito para publicação na 4th International Conference on Autonomous Robots and

Agents (ICARA 2009), a ser realizada em Wellington, Nova Zelandia, de 10 a 12 de fevereiro

de 2009. Conferência organizada pela Massey University com o apoio do IEEE.

76

Development of an Amphibious Robotic PropulsorBased on Electroactive Polymers

Laos A. HiranoMaterials’ Eng. Postgraduate Programm

Federal University of Ouro PretoCampus Morro do Cruzeiro

35400-000 Ouro Preto/MG, BrazilEmail: [email protected]

Luiz S. Martins-FilhoFederal University of ABC

Rua Catequese 24209090-400 Santo Andre/SP, BrazilEmail: [email protected]

Ricardo O. Duarteand J. Fernando de Paiva

Federal University of Ouro PretoCampus Morro do Cruzeiro

35400-000 Ouro Preto/MG, BrazilEmail: [email protected], [email protected]

Abstract—This paper presents the project of a robotic de-vice for propulsion in aquatic environment. The propulsor isa biologically inspired system characterized by efficiency andflexibility for locomotion environment changing: the legs ofanuran amphibious. These animals are exceptionally adapted tolocomotion in water and land. This type of locomotion requiresspecific features of the mechanisms that are hardly providedby traditional solutions based on standard electric motors. Theproposed approach is based on ionomeric polymers-metal com-posites drives, constituting a system commonly called artificialmuscle. The paper presents the anuran locomotion modeling,a description of the electroactive polymers, the experimentalproduction procedures and results, and also discusses someconstructive aspects of a first device prototype.

Index Terms—aquatic propulsor, robotics, artificial muscles,electroactive polymers.

I. INTRODUCTION

The present challenges in mobile robotics include improve-ments based on artificial intelligence, system miniaturization,softness of movements, and reduction of energy consumption.One interesting research perspective consists on the adaptationof mechatronic systems to different environments. In thisspecific domain, good design solutions can be abstracted frombiological systems. The robotics area where mechanisms anddevices are developed taking inspiration in biological systemsis called biomimetics [1], [2].

The amphibious of anuran order, like frogs and toads(Fig. 1), are well adapted for locomotion in terrestrial andaquatic environment, a very desirable feature for amphibiousmobile robots. Our work has the general objective of designingand construction of anuran-like robot. This work will bedivided in three steps. The first one is the development ofbiomimetic legs for locomotion in water. The second step isthe adaptation of legs to provide terrestrial locomotion, and atlast the design of transition between this two distinct modes.

However, the flexibility and complexity of anuran move-ments represent huge difficulties to a classical mechatronicsdesign, based on electrical motors and robotic joints. Robotswith a high number of degrees-of-freedom demand a largequantity of actuators which suggest difficulties for miniaturi-zation and soft movements. Moreover, robots concepted bythese usual devices result in heavy prototypes, demanding

Fig. 1. An endemic specie of toad commom in Serra do Itacolomi (Brazil),Physalaemus erythros (Photo by Leandro Drummond).

high efforts and energy and causing more critical impactsto execute terrestrial locomotion. Consequently, an alternativerobot conception is strongly desirable.

An innovative solution for these robotics applications isbecoming popular: actuators based on electroactive polymers(EAP). The EAP materials have the property of deformationwhen immersed into an electrical field. An important remark:the inverse property is also observed, i.e. when deformed,the EAP generates a voltage allowing its usage as sensordevice. Among the different types of EAP-based compositematerials, an interesting option for actuators constructionis the ionomeric polymer-metal composites (IPMC). Thesecomposites react/deform under low level electrical stimulus,present high force-voltage ratio and fast response. Some ofdynamical behaviors of the IPMC are similar to the biologicalmuscles features. For this reason, this material is called asartificial muscles [1].

This paper discusses details of the first stage of this study:the development of mechatronic legs biologically inspired toprovide propulsion in aquatic environment. After this introduc-tion, the paper presents the mathematical modeling of anuranlegs aquatic propulsion, the description of IPMC devicesconstruction procedure, the experimental results, and aspectsof the leg device designing. Concluding remarks and futureperspectives close the paper.

Fig. 2. Kicking propulsion modes: (a) asynchronous and (b) synchronous.

II. BIOMECHANICS MODELING OF AMPHIBIOUS ANURANS

The biomechanics of the anurans has been deeply studied inconsequence of the high locomotion adaptability of these ani-mals, dealing with diverse environments, aquatic and terrestrialones. The objective of this study is to understand the aquaticmotion, the fast movements that allow the anuran jumps onterrestrial surfaces, and the muscle actions responsible for thelocomotion transition between different environments [6]. Forthe reason of this paper is focused on the designing a roboticpropulsion system, this section will discuss only the study ofthe aquatic locomotion and the propulsion performance.

The computation of the anuran propulsion forces in aquaticenvironment can be simplified considering the equilibriumin the vertical forces, i.e. the weight force is equal to thebuoyancy force [5]. In this specific condition, no deep controlefforts were considered.

The displacement of amphibious in water is given bysynchronized extensions of posterior members, resembling akicking movement. There are two basic propulsion generationmodes: the asynchronous and the synchronous kicking [6].In the asynchronous kicking (Fig. 2-a), the anterior membersextensions are given alternating with the posterior members,while in synchronous kicking (Fig. 2-b), the legs executesymmetric movements of retraction and extension. The pos-terior members also contribute to the propulsion. Meanwhile,this work is focused on the posterior members working in asynchronous propulsion mode.

The legs movements can be divided into two distinctphases: the retraction or recuperation phase, and the extensionor power phase [5]. The retraction phase (Fig. 3-a) is thesequence of movements preparing the legs to execute thenext kick or, in other words, to begin the next extensionphase (Fig. 3-b). In this phase, the animal body deceleratesin consequence of the sense of legs movements, and inthe following phase, the body is accelerated by the kickingimpulsion. Therefore, the average value of the propulsion forceT can be defined by the difference between the force generatedin the extension phase Fext and the retraction phase Fret.

T = Fext − Fret (1)

An effect of resistance due to the displacement is the dragforce D. It must be taken into account in mathematical modelof the movement. Considering the propulsion force and thedrag force, the resultant force is given by:

Fresult = T −D (2)

Fig. 3. Kicking propulsion phases: (a) retraction and (b) extension.

Fig. 4. The curve of the propulsion force versus time.

The drag force is proportional to the square of the speed,as given below:

D =12ρSwCDU2 (3)

where ρ is the fluid density, Sw is the wet body surface, CD

is the drag coefficient, and U is the body speed. In order tosimplify the model, we consider that the amphibious is movingwith a constant speed in a static fluid. Therefore, the values ofρ, Sw and CD can be considered as constants [5]. Using thismathematical model of the anuran locomotion, it is possibleto simulate the dynamics of the legs movements and havean estimation of the force that the actuators must produce.Regardless of the simplifications adopted in the model, theseresults can be used to design the first robotic prototype.

According to the Eq. (1), we see that it is necessary a forceproduced in extension phase Fext bigger than the force pro-duced in contraction phase Fret to obtain a positive resultantforce. The latter consequently provides the propulsion of theanimal body. The Fig. 4 shows the propulsion force producedby the posterior members, where (a) represents the amplitudeof the force in the extension phase and (b) the propulsionduration. The time (c) represents impulsion duration, i.e. thephase where the body advances using the propulsion producedin extension phase, before a new retraction phase to prepareanother kick. The values of negative force represented by (d)result from the deceleration of the retraction phase. The time(e) corresponds to the retraction duration [7].

In order to verify the efficiency of the propulsion pro-duced by the leg using the model proposed in Fig. 4, anapproximative simulation of resultant forces, the speed andthe displacement of the prototype with K = 0.05 was done.For this simulation, the equations (2) and (3) were considered.

Analyzing the simulations results (Figs. 5, 6 and 7), itis possible to observe the body advancing when the legs

Fig. 5. The curve of the propulsion force versus time.

Fig. 6. The curve of the body speed versus time.

produce the forces similarly to the ones showed in Fig. 4.This simulation proves the possibility to apply this model inaquatic propulsion systems.

III. ELECTROACTIVE POLYMERS

The Electroactive Polymers (EAP) are materials with thecapability to deform when submitted to an electrical fieldstimulation. EAPs are commonly composed of electroactivepolymers and conductor materials. The dynamic proprieties ofEAPs are similar to biological muscles, stimulating researchesof artificial muscles built with those materials. The EAPs are

Fig. 7. The curve of the body displacement versus time.

Fig. 8. Structural formula of (a) Nafion, (b) Flemion and (c) Aciplex [1],[2].

classified into two main types: electric and ionic ones [1],[2]. Ionic EAPs are materials which deformation is caused bydiffusion effects activated by electric fields. When am electricfield is applied on the EAP, solvated ions migrate to differentsides producing a gradient of water concentration. Solvatedions are commonly found in gels, waxes, and proton exchangemembranes (PEM). As a consequence, the face with higherconcentration of water expands and the opposite face contracts.

The material considered in this work to construct therobotic actuators is a composite based on ionic EAPs, morespecifically the ionomeric polymers-metal composites (IPMC)[1]. Typical IPMC sample consists of a thin (200 µm) polymermembrane with metal electrodes (5-10 µm thick) plated onboth faces. The polymers used as the polymeric phase, arethe Nafion R© (DuPont), Flemion R© (Asahi Glass) or Aciplex R©

(Asahi Chemical) (Fig. 8). Noble metals (e.g. gold, platinum)are preferred to produce the electrodes due to the good conduc-tivity property, high malleability and resistance to oxidation[1], [2].

These materials have important mechanical and electricalproperties to robotics applications. They are light, soft, andcan be used as actuator or deformation sensor, realize smoothmovements, and they are activated using low voltages [4].

A. The bending mechanism

When a voltage is applied across the tape of hydratedIPMC, the electrodes polarized with opposite charges activatean electrical field on polymeric layer, and two phenomenacause deformation of polymeric phase. The first one is thediffusion effect. The mobile solvated cations migrate to cath-ode producing a water concentration gradient (see Fig. 9),in such a manner that the cathode expands and the anodecontracts, bending the sample to the anode direction [1],[2], [4]. The other phenomenon is caused by coulombianinteraction between dendritic structures of charged electrodesand fixed anionic groups of Nafion’s polymeric chain. Duringthe electrode deposition, metallic ions are dispersed throughthe polymer superficial region creating a porous structure,where reduced ions make a dendritic structure on polymer-

Fig. 9. Bending mechanism of IPMC.

electrode interface. These electrodes, when submitted to anexternal voltage, will load one side with positive charges andthe other side with negative ones. These charges will interactwith the fixed negative groups in the polymer chain (theanionic groups experiment repulsion by dendritic structure,while on the positive charged plate will occur attraction). Thiseffect reinforces the first one, and amplifies the bending effect[9]. The Fig. 9 shows details of these phenomena.

The IPMC can also be used as a deformation sensor. Amechanical stress over an IPMC sample produces a voltagethat can be used to determinate the deformation degree im-posed over the membrane. The bent material modifies thecharges distribution with respect to the membrane neutral axis.The applied stress will contract one side of the membranewhile it will spread the other. Consequently, the mobile cationswill move toward the region characterized by a lower chargedensity, carrying parasitically the solvent molecules (i.e. thedeionized water). A deficit of negative charges in one sideand an excess of positive ones in other side will result inthe expanded side. In the contracted side, the opposite effectwill be produced. This phenomenon induces a voltage dropcollected in the metallic electrodes. This effect has a quiteintuitive application as a sensing device [4].

B. IPMC preparation procedure

The procedure proposed by Oguro [8] describes four basicsteps to prepare IPMC tapes. The first step consists on thepreparation of the membrane surface. In this phase, aftercutting a sample of Nafion in a properly dimension to roboticapplications, it is rough polished to increase the contact area,which electrodes will be formed, and also to improve thequality of dendritic structure. The membrane is washed withdeionized water using an ultrasonic cleaner and boiled in acidsolution to remove impurities.

In the next step, the prepared membrane is immersed in anamino platinum complex solution (Pt(NH3)4Cl2) that contains2 milligrams of platinum per milliliter of solution. The goalis the adsorption of Pt+2 ions by the membrane.

Fig. 10. IPMC under 1.93V: the left one is sandpapered in vertical, and theright one is sandpapered in horizontal direction.

The third step is the primary deposition. In this phase, thesoaked membrane with Pt+2 ions is immersed in a reductoragent solution such as sodium borohydride (NaBH4). Theadsorbed ions migrate to the surface where they are reducedto metallic Pt (Tab. 1).

However, the amount of platinum deposited in the first step(0.9mg/cm2 [8]) is not sufficient to produce electrodes withadequate performance (the ideal is 2.0mg/cm2). Hence, thelast step consists on the growing of the initial platinum nucleiformed in the previous step. The membrane is immersed in anamino platinum complex solution which contains 2 milligramsof platinum per milliliter of solution, and small quantitiesof reductor agent weaker than sodium borohydride (e.g. hy-droxylamine hydrochloride with hydrazine) under stirring andtemperature between 40oC and 60oC [8].

Otherwise, it is possible also to replace the growing stepof platinum deposit by a deposition of silver, as proposedby Preethichandra [11]. The procedure consists on immersingthe membrane in solution of AgNO3 (1N), NH4OH (1N) andNaOH (0.5N) in the ratio of 1:2:1.2, and small quantities ofglucose 0.5M are added. Then a formation of silver layer couldbe observed over the primary layer of platinum deposit. Tab.2 presents the reaction steps of the process [11].

C. Experimental results of the IPMC production

In order to investigate some parameters that influence thedeformation degree, two experiments were done. The firstone investigates the influence of polishing procedures on thedendritic structure developed and the deformation mechanismas mentioned in Section 3-A. The deformation degrees oftwo tapes were compared, one of them polished on verticaldirection and the other on horizontal direction. The bendingeffect is higher on sample polished on the horizontal direction(Fig. 10) . As expected, on horizontal direction there area higher number of dendritic structures than the other. TheFig. 11 shows the dendritic structures in samples obtained byOguro (b) and Preethichandra (a) method.

The second experiment compares the bending degree oftapes obtained in Oguro and Preethichandra methods. Themethod of Oguro is more expensive than Preethichandra’smethod by reason of quantity of platinum used. However, thetapes with only platinum plated had faster response and loweractivation voltages than the tapes with platinum and silver

TABLE ITHE PROCESS OF ELECTROLESS CHEMICAL REDUCTION FOR PLATINUM LAYERS [10]

reaction process

[Pt(NH3)4]+2 + 2Cl− + NH+4 + OH− + H+(in Nafion) → ion-exchange process

[Pt(NH3)4]+2(in Nafion) + NH4Cl−2 + H2O and hydrolysisNaBH4 + 8OH− → BO−2 + Na+ + 6H2O + 8e− oxidation response

[Pt(NH3)4]+2 + 2e− → Pt0 + 4NH3 reduction responseNaBH4 + 2H2O → NaBO2 + 4H2 additional response

NaBH4 + [Pt(NH3)4]+2 + 8OH− → 4Pt0(s)

+ 16NH3(g) + BO−2 + Na+ + 6H2O total response

TABLE IITHE PROCESS OF ELECTROLESS CHEMICAL REDUCTION FOR SILVER LAYERS

reaction process2AgNO3 + NaOH → Ag2O(s) + H2O + NaNO3 Silver oxide is formed (Dark brown sediment is formed)

Ag2O + NH3 + H2O → 2Ag(NH3)2OH Complex of silver amino hidroxide is formed2Ag(NH3)2OH + C6H12O6 → 2Ag(s) + C6H11O7NH4 + 3NH3 +H2O Reduction of silver electrodes

Fig. 11. Cross section of a typical (a) Pt-Ag-plated Nafion and (b) Pt-platedNafion, showing dendritic structure of electrodes.

layer. The silver and platinum tape rusted easier than platinumone.

IV. THE PROPULSOR DEVICE DESIGN

We present in this section the basic ideas that are guidingthe development of the robotic system to emulate the anuranlegs movements. The initial experimental tries used a firstrough prototype (Fig. 12) actuated with steeper motors, justfor the understanding of the necessary motion sequences. Thecontrol of movements was done using a computer, and itconfirmed experimentally the remarks about the difficultiesof obtaining a mimetic anuran robot based exclusively onclassical electric motors. The Fig. 13 shows a comparisonbetween two constructive approaches: a classical mechatroniccomposition and an IPMC-based leg design. These illustrativedrawings suggest the constructive advantages and the actuationeasiness. Despite the simplicity of the first prototype, thisinitial phase of the project is be useful to plan the motionsequences, as well to design the signal references for theclosed-loop control.

In order to produce experimentally the movements results ofnumerical simulations (Figs. 5, 6 and 7), the prototype mustgenerate forces as described in Fig. 4. Using the modelingproposed in [3], the anuran legs can be considered as cylinders,

Fig. 12. The experimental apparatus for testing movements sequences onthe step motors-based prototype.

Fig. 13. Two different versions of the leg mechanism design: the first onebased on classical mechatronics, the second on IPMC actuators.

and the drag forces when the legs are placed perpendicularlyto the flow are 80% bigger then when the legs are parallelto the flow [3]. This strategy can be implemented using acilliary motion, as can be seen in Fig. 14. This motion patterncan produce the propulsion force profile proposed in Fig. 4;

Fig. 14. A cilliary motion providing the body propulsion.

Fig. 15. The motion sequence of the leg’s links.

consequently, we expect that it can provide the desired bodydisplacement.

Based on this cilliary motion, we can design a sequenceof leg’s links motion using two joints (independently of thejoints nature). Four stages compose this sequence (Fig. 15):a rotation of θ1 between the superior link and the body(Fig. 15-a) and a rotation of φ1 between inferior and superiorlinks (Fig. 15-b) complete the recuperation (or legs retraction)phase; the rotations of θ2 and φ2 (Fig. 15-c and Fig. 15-d)complete the propulsion (or legs extension) phase.

V. CONCLUSION

This article presents an overview of an robotics’ projectconcerning an aquatic propulsion device inspired in anu-ran amphibious. The study aims the adaptation of robotslocomotion in different environments, aquatic or terrestrialones. Taking into account two attractive objectives for roboticmachines, the miniaturization and the weight reduction, thefirst study ideas point to the use of actuators made of ionomericpolymers-metals composites (IPMC). These materials are elec-troactive polymers capable of producing deformation whenelectrically stimulated. The electroactive polymers producesoft movements similarly to biological muscles.

The biomechanics of the amphibious propulsion was mo-deled considering two phase movements, the retraction andthe extension of the legs. In this propulsion modeling, theforce generated in the extension phase is bigger that the drag,including the negative propulsion in the retraction phase. Thenumerical simulations results show that this proposed approachcan provide the robot locomotion.

In the first stage of the project, three main aspect are inthe research focus: (i) analyzing the mathematical propulsion

modeling, in order to estimate the necessary movementsstrategy and propulsion forces; (ii) working on the prepara-tion of the IPMC actuator, in order to acquire the know-how of this material production; and (iii) studying the legmechanism design and control, to define the localization of thejoints/actuators and to define the adequate reference input ofthe leg control system. The prototype development begins witha rough steep motors leg, just for the movements sequenceanalysis. The obtaining procedure of the IPMC-based actuatordevices was successfully completed, with promissory results interms of functioning features and microphotographic analysis.

These preliminary results point to a promissory future in theproject, showing an interesting option to develop alternativedesign robotic machines. Considering our specific project, weaim the construction of a robotic propulsion device based onprinciples of the reduced size and weight, low energy require-ments, softness of movements, and comprising an innovativetechnology involving new materials and its recent issues,specially the IPMC composed by Nafion R© and Platinum.

ACKNOWLEDGEMENTS

The authors acknowledge the support of Conselho Nacionalde Desenvolvimento Cientıfico e Tecnologico - CNPq (Brazil),and Coordenacao de Aperfeicoamento de Pessoal de Nıvel Su-perior - CAPES (Brazil), Fundacao de Amparo a Pesquisa doEstado de Minas Gerais - FAPEMIG (Brazil), and Fundacaode Amparo a Pesquisa do Estado de Sao Paulo - FAPESP(Brazil).

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