Músculos Eletrônicos

Músculos Eletrônicos

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MECATRÔNICA ATUAL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/200148

Se precisamos movimentar o braço de um robô ou ainda um automatismo, a solução mais simples está no uso de um motor acoplado a uma rosca “sem fim” conforme mostra a figura 2 ou outra forma de dispositivo de acoplamento mecânico.

Esse simples dispositivo faz as vezes de um músculo, capaz de movimentar para frente e para trás um braço, mas com algumas limitações. O ruído do motor, a necessidade de lu- brificação, a velocidade limitada de acionamento e resposta lenta são alguns dos problemas que devem ser considerados. Ora, se a idéia é imitar a ação de um músculo, por que não partir para algo que tenha o mesmo princípio de funcionamento?

Um músculo nada mais é do que uma massa de células que mudam de forma com a ação dos impulsos elétricos enviados pelo sistema nervoso, conforme mostra a figura 1.

Sem a ação dos pulsos de comando dos neurônios, as células em forma de fuso do tecido muscular se mantém descontraídas e portanto temos o maior comprimento do conjunto: o músculo está descontraído.

Com a aplicação de pulsos elétricos pelas células nervosas, as células musculares se contraem, mudando de forma e fazendo com que o músculo possa fazer um esforço físico, conforme mostra a figura 3.

Seria possível obter algum tipo de material que tivesse o mesmo comportamento: um material que mude de forma com a ação de uma corrente elétrica ou de pulsos elétricos?

Um material desse tipo poderia ser usado como um músculo “eletrônico” num robô ou num mecanismo com uma simplicidade muito maior do que a exigida por um motor, conforme mostra a figura 4.

Se os leitores pensam que este material ainda está por ser descoberto, estão enganados. Este material já existe e robôs, automatismos ou dis-

ELETRÔNICOSELETRÔNICOSELETRÔNICOSELETRÔNICOSELETRÔNICOS Newton C. Braga

Se consultarmos qualquer projetista da área de mecatrônica que trabalhe com robôs ou automatismos que devam realizar movimentos, a solução natural abordada para a efetivação desses movimentos está no uso de motores, solenóides, servos e eventualmente dispositivos pneumáticos ou hidráulicos. Para a solução elétrica os motores comuns e motores de passo são os mais usados. Somente em alguns casos mais raros é que podemos pensar em solenóides e outras soluções que também envolvem dispositivos totalmente eletro-mecânicos. No entanto, já existe um equivalente para os “músculos” que podem ser usados em robôs e automatismos para efetivação de movimentos. A SMA ou Shape Memory Alloy ou Liga com Memória de Forma é a grande saída para eliminar os motores dos robôs e automatismos e dotá-los de movimentos com um princípio de funcionamento muito mais próximo dos organismos vivos e até mais eficiente quando se analisa a relação espaço ocupado/força. As aplicações para as SMA não só na robótica e mecatrônica como também em automação e dispositivos de uso cotidiano são fantásticas e elas consistem no assunto deste artigo.

Figura 1 - As células musculares.

49MECATRÔNICA ATUAL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 positivos mecatrônicos com “músculos eletrônicos” não só já estão em funcionamento e à venda em forma de kits como até podem ser construídos pelo próprio leitor.

Shape Memory Alloys ou Ligas com Memória de Forma é o nome dado para os fantásticos materiais que podem ser usados como “músculos” em diversos tipos de equipamentos, acionados diretamente por correntes elétricas.

Basicamente, as SMAs consistem em Ligas ou Misturas de determinados metais que têm a interessante propriedade de mudar de forma com a passagem de uma corrente e com isso exercer um esforço mecânico considerável para o acionamento dos mais diversos dispositivos.

Se fabricadas na forma de fios, estes fios podem ser usados como verdadeiras “fibras musculares” de metal e combinados de modo a fazer acionamentos de dispositivos de diversas maneiras.

Quando aquecemos um material, este se dilata pelo calor. O que ocorre neste caso é um fenômeno de aumento e diminuição das dimensões de um material denominado dilatação térmica.

No entanto, existem certas ligas (misturas de metais) que manifestam uma propriedade diferente denominada “memória de forma”.

Estas ligas possuem uma estrutura cristalina bem definida que muda em uma determinada temperatura de transição com muita facilidade.

Quando estas ligas estão próximas da temperatura de transição, elas podem ser facilmente deformadas, ou seja, se tornam “moles” e podem ser esticadas sem qualquer esforço. No entanto, quando elas são aquecidas pela passagem de uma corrente elétrica até a temperatura de transição, a sua estrutura cristalina “lembra-se” da forma original e se contrai até ela. Ao esfriar quando a corrente é desligada ela “amolece” novamente e pode esticar até a forma anterior.

Figura 2 - Usando um motor como "músculo" para movimentar um braço de robô.

Figura 3 - A contração das células permite a realização de um esforço físico. Figura 4 - Músculos eletrônicos.

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A curva característica destas ligas apresenta uma histerese acentuada que é mostrada na figura 6.

Em outras palavras, um fio fabricado com uma liga deste tipo é flexível o bastante para ser esticado com facilidade na temperatura ambiente. Quando passamos uma corrente elétrica por este fio e ele se aquece até a temperatura de transição ocorre uma contração até o tamanho original que permite a realização de esforço mecânico.

Para uma liga típica SMA a contração neste processo pode chegar de 8% a 12% do comprimento total, o que é o bastante para se obter um bom acionamento.

Outro problema a ser considerado é a velocidade de reação do fio, pois o aquecimento e o esfriamento representam uma certa inércia. Para os fios finos podem ser obtidas velocidades de reação que se aproximam de 1 ciclo por segundo, o que é bastante bom para um dispositivo mecânico simples, como por exemplo, um braço mecânico ou mesmo um modelo de inseto voador.

A utilização de ligas com maiores temperatura de transição possibilita o aumento da velocidade de resposta (o esfriamento depende da diferença entre a temperatura da liga e o meio ambiente).

O conhecimento do efeito de memória de certas ligas não é recente. Já em 1932 o pesquisador sueco Arne Olander sugeriu a existência da contração de certas ligas, como a de ouro com cádmio. A transição de seu modo de cristalização poderia ser usada para se converter calor em movimento.

Foi em 1950 que pesquisadores da

Universidade Columbia em Nova Iorque explicaram as mudanças de estrutura que ocorriam nestas ligas, usando para isso a difração por meio de raios X.

A partir de então os pesquisadores passaram a procurar novas ligas que apresentassem as mesmas propriedades.

Figura 5 - Usando a SMA para controlar o leme de um barco.

Figura 6 - A característica de histerese das SMAs.

As ligas mais comuns possuem uma temperatura de transição suficientemente baixa para permitir aplicações práticas simples. Temperaturas em torno de 70 graus são comuns.

Evidentemente, um fio feito com esta liga pode se fundir com uma corrente excessiva, o que exige que o circuitos de acionamento seja preciso, produzindo corrente suficiente para atingir a temperatura de transição mas não o suficiente para fundir.

Uma maneira de se obter uma corrente de acionamento controlada é através de uma fonte de corrente constante como a mostrada na figura 7.

Figura 7 - Uma fonte de corrente constante alimentando uma SMA.

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Os problemas iniciais ocorriam porque as ligas consideradas “boas” utilizavam metais caros ou então perigosos. A própria liga de ouro com cádmio não é das mais recomendáveis para o uso por amadores ou em aplicações expostas porque o cádmio é muito tóxico.

Em 1963 o US Naval Ordenance

Laboratory desenvolveu uma liga com propriedades extremamente interessantes: além de ser uma SMA ela utilizava metais não tóxicos e de baixo custo: esta liga de Titânio com Níquel que passou a ser denominada NITINOL (Ni de níquel, Ti de titânio e NOL de Naval Ordenance Laboratory) se tornou bastante popular com uso inicialmente em diversos dispositivos militares e depois colocada a disposição do projetistas de robótica e mecatrônica. Sua importância foi con- siderada tão grande que nas décadas seguintes os Estados Unidos fabricou uma grande quantidade deste material, armazenando-o como “estoque estratégico”, para o caso de uma guerra no futuro!

A partir do Nitinol diversas outras ligas foram criadas encontrando aplicações numa grande variedade de dispositivos.

Com a utilização de metais baratos as SMAs passaram a ser usadas em projetos interessantes, alguns dos quais ficaram apenas nos laboratórios.

Assim, em 1971 dois pesquisadores de Nova Iorque, P.N. Player e M. Page, desenvolveram um coração artificial ativado por um fio de 500 m de Nitinol. Entretanto, a maior

Tabela 1 - Características de fios de Flexinol.

limitação do projeto era que ele só batia 12 vezes por minuto, bem menos do que os 80 a 90 batimentos de um coração real.

A NASA, por exemplo, trabalhou num sistema para abrir e fechar antenas de um satélite usando SMAs.

Atualmente existem diversos fabricantes de SMAs e até a disponibilidade de Kits para a montagem de automatismos ou mecanismos de controle .

Nos Estados Unidos a empresa da

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