Dielectric Elastomer Actuator
- Também chamado: DEA
- Categoria: Actuation & drivetrain › Motors
- Tags: soft-actuators, artificial-muscle, electroactive-polymer, microrobotics, high-voltage
Um atuador macio feito de um filme fino de elastômero entre eletrodos complacentes; uma alta tensão comprime o filme, deixando-o mais fino e mais largo, e produz grandes deformações.
Definição
Um atuador de elastômero dielétrico (DEA) (dielectric elastomer actuator) é um capacitor com um dielétrico macio e estirável. Um filme fino de elastômero, normalmente silicone ou um elastômero acrílico, é revestido nas duas faces com eletrodos complacentes, como graxa de carbono, silicone carregado com carbono ou camadas de nanotubos de carbono. Quando uma tensão é aplicada, as cargas opostas dos dois eletrodos se atraem e as cargas de mesmo sinal em cada eletrodo se repelem, o que comprime o filme na espessura e o expande em área. Como o elastômero é quase incompressível, a redução da espessura e o aumento da área são acoplados. Os DEAs pertencem à família mais ampla dos polímeros eletroativos, e o trabalho de Pelrine e colegas no SRI International por volta de 2000 mostrou que filmes pré-estirados podiam atingir deformações acima de 100 por cento, o que os tornou um candidato sério a músculos artificiais.
A pressão de atuação efetiva, frequentemente chamada de tensão de Maxwell, é p = ε₀ εᵣ E², em que E é o campo elétrico através do filme (tensão dividida pela espessura) e εᵣ é a permissividade relativa do elastômero. A dependência quadrática em relação ao campo é o motivo pelo qual os DEAs precisam de campos de dezenas de volts por micrômetro, o que significa quilovolts para filmes com dezenas de micrômetros de espessura, ou pilhas multicamadas de filmes mais finos para reduzir a tensão. Os projetos práticos incluem pilhas que se contraem na espessura, tubos enrolados que se estendem ou se curvam, diafragmas e filmes pré-estirados sobre armações flexíveis que se curvam ou se dobram. O pré-estiramento melhora o desempenho e ajuda a suprimir a instabilidade eletromecânica, na qual o filme afina, o campo aumenta e o filme afina ainda mais até falhar.
O envelope de operação é definido pelos modos de falha. A ruptura dielétrica, um curto-circuito elétrico através do filme, limita o campo e, portanto, a força; defeitos, poeira e bordas dos eletrodos fazem a ruptura ocorrer abaixo da rigidez nominal do material, de modo que a vida útil depende fortemente de quão perto desse limite o atuador opera. Os elastômeros acrílicos dão grandes deformações, mas são viscoelásticos e lentos, enquanto os silicones respondem mais rápido e com menores perdas, o que importa em usos de alta frequência, como asas batentes. Eletricamente, um DEA é uma carga capacitiva: consome pouca corrente em regime permanente, mas precisa de um driver de alta tensão compacto, e esse driver costuma ser a parte mais pesada e mais difícil de um pequeno robô acionado por DEA. Ao contrário da atuação magnética ou baseada em motores, um DEA não tem ímãs, bobinas nem engrenagens, e sua complacência faz parte do próprio atuador, em vez de ser acrescentada por uma mola ou uma estrutura macia.
Por que importa
Os DEAs oferecem deformação semelhante à de um músculo e resposta rápida em um dispositivo macio e silencioso, sem engrenagens nem ímãs. Isso os torna uma das poucas opções de atuador para robôs voadores em escala de inseto, garras macias e outras máquinas em que os motores são pesados ou rígidos demais, desde que a eletrônica de alta tensão e o limite de ruptura sejam considerados no projeto desde o início.
Principais aplicações
- Robôs aéreos de asas batentes e em escala de inseto
- Garras macias, incluindo projetos combinados com eletroadesão
- Robôs macios rastejantes e nadadores
- Displays hápticos e táteis
- Lentes sintonizáveis e outros dispositivos ópticos adaptativos
- Coleta de energia com geradores de elastômero dielétrico
Na prática
Uma equipe que constrói um robô de asas batentes em escala de inseto enrola um DEA de silicone multicamadas em um cilindro e o conecta à asa por meio de uma transmissão por flexão. Ela o aciona com uma alta tensão senoidal próxima da frequência de ressonância da asa, sobreposta a uma polarização CC, para que o atuador oscile nos dois sentidos em torno de um ponto médio; a pressão eletrostática apenas comprime o filme, qualquer que seja a polaridade. A tensão de pico é escolhida com margem abaixo da tensão de ruptura medida em amostras de teste do mesmo lote, porque chegar mais perto dá mais sustentação, mas encurta drasticamente a vida do atuador. O controlador de voo trata a amplitude da tensão como seu comando de empuxo e precisa respeitar esse teto, assim como a lenta mudança das propriedades do atuador à medida que ele aquece e envelhece.
Equívocos comuns
- Mais tensão sempre significa mais força útil — a força cresce com o quadrado do campo, mas o risco de ruptura dielétrica também cresce, e operar perto do limite reduz drasticamente a vida útil
- Inverter a tensão inverte o movimento — a pressão eletrostática depende do quadrado do campo, então o filme é comprimido qualquer que seja a polaridade; o movimento bidirecional precisa de uma polarização, uma pré-carga ou um par antagonista
- Os DEAs são fáceis de alimentar porque consomem pouca corrente — eles precisam de eletrônica de acionamento na faixa dos quilovolts, e o conversor costuma dominar a massa e a complexidade de um robô pequeno
- Um DEA é um tipo de atuador piezoelétrico — as cerâmicas piezoelétricas são rígidas e dão deformações bem abaixo de um por cento, enquanto os DEAs são macios e se baseiam na pressão eletrostática sobre um filme complacente
Quem deve saber
- Pesquisadores de robótica macia
- Engenheiros de microrrobôs e de robôs aéreos em escala de inseto
- Projetistas de eletrônica de potência de alta tensão
- Engenheiros de materiais que trabalham com polímeros eletroativos
Tecnologias relacionadas
- Polímeros eletroativos (Electroactive Polymers)
- Atuadores piezoelétricos bimorfos (Piezoelectric Bimorph Actuators)
- Atuadores HASEL
- Eletroadesão (Electroadhesion)
- Conversores CC-CC de alta tensão (High-Voltage DC-DC Converters)
- Eletrodos complacentes (Compliant Electrodes)