24 setembro 2010

Segunda pele

Nosso tato detecta o roçar de uma pluma ou o pouso de uma borboleta. Desde os anos 1980, a ciência procura reproduzir tal sensibilidade artificialmente. Carlos Alberto dos Santos fala dos desafios neste caminho e dos novos avanços de pesquisadores nos EUA.

Um dos maiores desafios de reproduzir o toque artificialmente é a sensibilidade do tato humano, que detecta pesos tão leves como o de uma borboleta (foto: Steven List – CC BY-NC-ND 2.0).

Sensibilidade à flor da pele é um adágio popular normalmente associado a manifestações emocionais. Dos nossos cinco sentidos (audição, olfato, paladar, tato e visão), parece que o senso comum atribui ao tato o maior grau de sensibilidade. Na verdade, cada um dos sentidos tem seu nível de sensibilidade específico, compatível com o tipo de estímulo que é percebido.

Agora, parece não haver dúvida quanto à nossa dificuldade em criar instrumentos eletrônicos, conhecidos como transdutores, que transformem, com precisão, o tato em sinais eletrônicos. Essa dificuldade tem sido um grande desafio para pesquisadores dedicados à inteligência artificial. 

A dificuldade de transformar o tato em sinais eletrônicos tem sido um grande desafio para pesquisadores dedicados àinteligência artificial

Visão e audição são os sentidos mais simples para manipulação eletrônica. Mesmo ficando muito aquém da capacidade humana, tem sido considerável o desenvolvimento de sensores para olfato e paladar.

Então, o pico do desafio fica mesmo por conta do tato. E a dificuldade não se limita à identificação de um mecanismo de transdução, que realiza a transformação do tato em sinal eletrônico. O dispositivo precisa ter resolução espacial comparável à dos humanos. Por exemplo, em um quadrado com um centímetro de lado, o ser humano é capaz de detectar rugosidade de aproximadamente 50 micrômetros, algo como o diâmetro de um fio de cabelo.

Precisa também ter uma boa discriminação da pressão aplicada. Imagina se não pudéssemos distinguir, por exemplo, o toque do pouso de uma mosca daquele da tromba de um elefante. E acima de tudo, precisa ser integrado a um transistor.

Atendidas tais exigências, quase tudo estaria resolvido se o dispositivo fosse utilizado apenas na robótica, mas pretensão de uso em seres humanos coloca o problema em outro patamar, o da biocompatibilidade.

Luke Skywalker
A nova mão de Luke Skywalker tem sua sensibilidade testada no filme 'O império contra-ataca'. Peles artificiais com elevado nível de sensibilidade poderão ter aplicação em próteses, robótica e procedimentos cirúrgicos (foto: reprodução).

Primeiras tentativas

O caminho começou a ser desbravado no final dos anos 1980, quando pesquisadores da Universidade de Twente, na Holanda, desenvolveram um dispositivo para ser usado na ponta de um cateter para medir pressão sanguínea. A invenção foi importante para demonstrar a exequibilidade da ideia, mas não atende às exigências reais, nem para uso na robótica, no estágio em que se encontra, nem para uso como pele artificial.

Readius
O Readius, leitor eletrônico da Polymer Vision, com visor retrátil: exemplo de tecnologia desenvolvida com transistores orgânicos flexíveis, usados pela equipe de Stanford para desenvolver seu novo sensor (foto: Readius by Polymer Vision).

O transdutor de pressão foi integrado a um transistor de efeito de campo à base de silício, daí sua denominação: Pressfet, uma abreviatura que, em inglês, associa a palavra pressão à sigla para transistor de efeito de campo.

O dispositivo não atende às atuais exigências porque é montado em uma base rígida, de difícil montagem sobre bases flexíveis, tem alto custo de produção e não tem sensibilidade para pressões inferiores a 10 quilopascals, um valor mil vezes superior ao da pressão exercida pelo pouso de uma mosca.

Mesmo para uso em robótica, uma pele artificial tem que ser flexível, que dirá para uso em próteses humanas. Felizmente, transistores de efeito de campo confeccionados com materiais orgânicos (Ofet, na sigla em inglês) são conhecidos desde 1987, e hoje constituem o que se chama de eletrônica em substratos flexíveis. Muitos painéis de propaganda que você vê na rua são feitos com esses transistores, assim como telas de livros eletrônicos.

A principal deficiência dos sensores anteriores era a falta desensibilidade na faixa de baixas pressões

Então, o contexto científico e tecnológico estava montado para a intervenção de mentes criativas, e essas vieram da Universidade Stanford, na Califórnia (EUA). Zhenan Bao, uma das líderes da equipe de pesquisadores, domina bem a ciência e a tecnologia dos transistores orgânicos. Precisavam de uma ideia inovadora para construir um bom sensor de pressão e integrá-lo com um Ofet.

Cada um dos sensores anteriormente apresentados na literatura exibia uma ou outra deficiência técnica, sendo a principal a falta de sensibilidade na faixa considerada de baixas pressões. Outra limitação desses sensores tinha a ver com a sua elasticidade.

O novo caminho

O processo tátil se dá quando um agente externo pressiona o sensor, que se deforma em consequência dessa ação. Depois que o agente externo é retirado, o material do sensor deveria voltar à sua condição inicial. No entanto, dependendo das características elásticas desse material, o retorno pode ser demorado e em alguns casos a situação original jamais será recuperada.

A solução proposta pela equipe de Stanford para evitar esse problema não poderia ser mais interessante. Em artigo publicado na edição de 12 de setembro da revista Nature Materials, Bao e colaboradores relatam que, em vez de usar como sensor uma camada plástica plana, eles usaram uma camada cheia de protuberâncias. 

Em vez de usar como sensor uma camada plástica plana, eles usaram uma camada cheia de protuberâncias

Quando o sensor é pressionado, o material tem espaço livre, produzido pelas protuberâncias, para se expandir e rapidamente voltar à sua condição original depois que o agente externo é retirado. Esse tempo de retorno determina a resposta do dispositivo, que está na faixa do milissegundo.

Com protuberância ou não, o processo de transdução nos sensores plásticos se dá pelo efeito que a pressão externa exerce sobre a capacitância de um capacitor, no qual o plástico é usado como dielétrico.

O modelo mais simples de capacitor é um sanduíche de placas metálicas separadas por um dielétrico, por exemplo, uma lâmina de plástico. Esse dispositivo é caracterizado pela sua capacitância, uma propriedade diretamente proporcional à área do dielétrico e inversamente proporcional à espessura.

Ao pressionar o capacitor, a espessura do plástico diminui e aumenta a capacitância. Quando este capacitor é integrado com um transistor, a corrente de saída do conjunto depende da capacitância. Portanto, a corrente de saída depende da pressão sobre a camada dielétrica.

Está feito o processo de transdução, pressão na entrada e corrente na saída. Essa corrente pode ser usada como um simples indicador, e, neste caso, o dispositivo é apenas um sensor. Mas a corrente também pode ser usada para disparar outros processos, em cuja circunstância o dispositivo é denominado atuador.

Sensibilidade turbinada

Mosca varejeira
O sensor foi capaz de detectar o peso de uma mosca varejeira, que faz pressão mil vezes menor que a detectada por sensores convencionais (Wikimedia Commons/ Noodle snacks – CC BY-SA 3.0).

Os primeiros testes realizados pela equipe americana são mais do que animadores. Inicialmente, eles produziram dois capacitores flexíveis, com uma mistura de óxido de estanho e polímero condutor fazendo o papel de uma das placas condutoras. Os contatos condutores de um transistor Ofet (a fonte e o dreno) fizeram o papel da outra placa. 

Num dos capacitores, o dielétrico foi um filme plano, como usualmente utilizado nesses dispositivos. No outro, utilizaram o filme com protuberância, que denominaram filme estruturado.

Os resultados obtidos com o filme estruturado foram muito superiores àqueles com o filme plano. Por exemplo, para pressões inferiores a dois quilopascals, uma faixa na qual os sensores comerciais falham, a sensibilidade do filme estruturado é cinco vezes superior à do filme plano. 

O sensor foi capaz de detectar o pouso suave e a decolagem de uma mosca varejeira

O sensor com filme estruturado foi capaz de detectar com impressionante precisão o pouso suave e a decolagem de uma mosca varejeira, que pesa aproximadamente 20 miligramas.

A pressão desse inseto sobre o filme é de aproximadamente 3 pascals, mil vezes inferior ao limite de detecção dos sensores convencionais.

Peles artificiais com esse nível de sensibilidade deverão ter aplicações em próteses, ferramentas de precisão, instrumentos para procedimentos cirúrgicos minimamente invasivos e na robótica em geral.


Carlos Alberto dos Santos
Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação
Universidade Federal da Integração Latino-americana (Unila)

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