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SMA - músculos eletrônicos (MEC019)

Se consultarmos qualquer projetista de robôs ou automatismos que devam realizar movimentos, a solução natural abordada para a efetivação desses movimentos está no uso de motores. 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 mecânicos. No entanto, já existe um equivalente para os "músculos" que podem ser usados em robôs para efetivação de movimentos. A SMA ou Shape Memory Alloy ou Liga Com Memória de Forma é a grande saída para tirar os motores dos robôs e automatismos e levá-los a um princípio de funcionamento muito mais próximo dos organismos vivos. As aplicações para as SMA são fantásticas e elas consistem no assunto deste artigo.

 

Se precisarmos movimentar o braço de um robô ou ainda um automatismo, a solução mais simples é o uso de um motor acoplado a uma rosca "sem fim" conforme mostra a figura 1.

 

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 lubrificação, a velocidade limitada de acionamento e resposta 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 pelas células nervosas, conforme mostra a figura 2.

 

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 pela célula nervosa, 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 descoberta estão enganados. Este material já existe e robôs com "músculos eletrônicos" não só já estão em funcionamento como até podem ser construídos pelo próprio leitor.

 

SMA

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 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" e combinados de modo a fazer acionamentos de dispositivos de diversas maneiras.

 

O que é a SMA:

Quando aquecemos um material ele 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 facilidade.

Quando estas ligas estão próximas da temperatura de transição, elas podem ser facilmente deformadas, ou seja, se tornam "moles". No entanto, quando elas são aquecidas, até o ponto de transição, a sua estrutura cristalina "lembra-se" da forma original e se contrai até ela.

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 a 8% do comprimento total, o que é o bastante para se obter um bom acionamento.

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 ser fundir com uma corrente excessiva, o que exige que os circuitos de acionamento sejam precisos.

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

 

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 como por exemplo um braço mecânico.

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).

 

AS LIGAS E SUA HISTÓRIA

O conhecimento do efeito de memória de certas ligas não é recente. Já em 1932 o pesquisador sueco Arne Olander sugeria que a 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.

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 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) passou a ser usado em diversos dispositivos militares. Sua importância foi considerada tão grande que nas décadas seguintes os Estados Unidos fabricou uma grande quantidade deste material, armazenando-o como "estoque estartégico", para o caso de uma guerra no futuro!...

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

 

 

AS APLICAÇÕES

Com a disponibilidade de materiais baratos as SMAs passar 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 um de Nitinol. Entretanto, a maior 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 California Raychem Co. produz a SMA denominada Batalloy que é formada por cobre e zinco e a SMA Tinel que é formada de níquel e titânia e que se sobressai por ser a única com uma temperatura de transição inferior a 0 grau centígrado.

Em revistas técnicas americanas e inglesas encontramos anúncios de SMAs que são disponíveis em diversas configurações e até livros que tratam de seu uso.

A Mondotronics (2476 Verna Court - F1 - San Leandro CA 94577 - tel 800-374-5764 e Fax 510-351-6955 ou 524 San Anselmo Ave. #107 - San Anselmo, CA 94960 - tel: 415 455 9330 ambos endereços nos Estados Unidos) por exemplo, vende um kit contendo um manual e 20 cm fibras de Flexinol de 50 um com uma força de contração de 35 gramas para uma corrente de 50 mA (o fio tem 510 ohms por metro) e mais 40 cm de fibras de 100 e 150 um (com forças de 150 gramas e 330 gramas) por apenas 29,90. A empresa aceita cartão de crédito Visa e o produto pode ser comprado pelo correio, já que o valor indicado está abaixo dos limites que exigem impostos. O anúncio é da revista Popular Electronics.

Na Inglaterra a Milford Instruments, Milford House, 120 High Street, South Milford, Leeds LS25 5AQ. UK Tel: 01977-683665 anuncia na revista ETI a disponibilidade de SMAs em fios.

 

COMO USAR

A força de contração ao esfriar de um SMA na forma de fio depende de seu diâmetro enquanto que o comprimento contraído depende do comprimento total do fio e de suas características. O diâmetro e o comprimento, além da composição do material determinam as características elétricas da SMA.

Assim, num projeto que utilize um ou mais fios, estes três fatores devem ser levados em conta.

Na figura 8 temos um exemplo de aplicação para um braço mecânico usando uma SMA.

 

Observe então que temos uma alavanca interpotente e que portanto a força F1 efetivamente obtida na extremidade do braço é menor que a força F2 aplicada pela SMA. Assim, como em toda alavanca deste tipo, o que ganhamos em deslocamento, perdemos em força.

Para uma alavanca inter-resistente como a mostrada na figura 9 o que  ganhamos em força perdemos em deslocamento.

 

Atualmente, existem disponíveis dois tipos de SMAs Flexinol que são fabricados pela Dinalloy e especificados por HT e LT. HT significa High Temperature e indica um material que tem uma temperatura de transição mais elevada, enquanto que LT significa Low Temperature.

Na tabela abaixo damos as características destes dois tipos de fio observando-se que:

* A velocidade de contração de todos esses fios é da ordem de 1/1000 s

* Para obter a relação recuperação/deformação em Newtons multiplique o valor da tabela por 0,0098.

* A deformação máxima obtida é de 8% do comprimento do fio, mas recomenda-se que na prática ela fique entre 3 e 5% desse comprimento.

 

 

APLICAÇÕES INTERESSANTES

Uma aplicação bastante interessante desenvolvida pela MacDonald Douglas a partir de experiências realizadas no Lawrence Berkeley Laboratories na California foi a polia diferencial. Trata-se de um pequeno motor que converte calor em energia mecânica por meio de uma bobina de Nitinol.

Aplicando-se dois fluxos de água, um aquecido e outro frio ao pequeno dispositivo ele produzia força mecânica equivalente a 1W girando em alta velocidade.

Para os leitores interessados, principalmente os do campo da robótica, a utilização das SMAs abre um leque de aplicações enorme.

Dos músculos capazes de movimentar braços, ou outras partes de um robô, podemos partir para automatismos os mais diversos acionados diretamente por correntes elétricas.

Acoplados a sensores de posição num circuito como o mostrado na figura 10 podemos movimentar qualquer coisa com SMAs.

 

Se a força conseguida de um fio não for suficiente para a aplicação desejada podemos formar fibras que resultarão em potentes músculos.

Para que se tenha uma idéia, uma fibra formada por 100 fios de 250 um de Nitinol pode realizar uma força de 911,4 N ou equivalente ao levantamento 93 kg com a ativação por uma potência de apenas 200 watts.

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