Cilindros hidráulicos flexíveis são três vezes mais fortes

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/07/2019

O pistão flexível (direita) é três vezes mais forte do que o pistão rígido usado nos cilindros hidráulicos convencionais (esquerda).
[Imagem: Wyss Institute/Harvard]

Cilindros hidráulicos

Roboticistas da Universidade de Harvard, nos EUA, mudaram pela primeira vez o conceito dos pistões usados em equipamentos hidráulicos e pneumáticos, uma invenção do físico Denis Papin no início do século XVIII.

Shuguang Li e seus colegas substituíram os elementos rígidos dos cilindros hidráulicos convencionais por um mecanismo que utiliza estruturas compressíveis dentro de uma membrana feita de materiais macios.

Os "pistões de tensão" resultantes geram mais de três vezes a força dos pistões convencionais, eliminam grande parte do atrito e, a baixas pressões, são até 40% mais eficientes energeticamente.

O sistema de pistão hidráulico convencional é baseado em uma câmara rígida e um pistão no seu interior, que pode deslizar ao longo da parede interna da câmara, mantendo ao mesmo tempo uma vedação firme. Como resultado, o pistão divide dois espaços, que são conectados a duas fontes externas de fluidos. Se os fluidos tiverem pressões diferentes, o pistão deslizará na direção da pressão mais baixa e poderá, ao mesmo tempo, impulsionar o movimento de um eixo ou outro dispositivo para realizar trabalho físico.

Este princípio é usado em inúmeras máquinas, incluindo vários motores de pistão, ferramentas elétricas, elevadores hidráulicos, guindastes e diversos tipos de tratores.

Materiais utilizados na construção do cilindro hidráulico flexível.
[Imagem: Li et al. - 10.1002/adfm.201901419]

Pistões flexíveis

Autênticos músculos artificiais, os pistões são feitos de uma estrutura dobrada que é incorporada dentro de um fluido em uma pele flexível e hermeticamente selada. A alteração da pressão do fluido aciona a estrutura em forma de origami, forçando-a a se desdobrar ou colapsar ao longo de um caminho geométrico pré-configurado, o que induz uma mudança de forma em toda a estrutura, permitindo que ela pegue ou libere objetos ou realize outros tipos de trabalho.

Praticamente toda a estrutura rígida dos pistões tradicionais foi substituída pelo que o pesquisador chama de "músculos artificiais acionados por fluidos inspirados em origami". Os materiais macios garantem maior eficiência e força, além de poderem ser usados em robôs moles sem afetar sua arquitetura flexível.

"Configurando os esqueletos compressíveis com geometrias muito diferentes, como uma série de discos discretos, como esqueletos articulados, ou como esqueletos de mola, as forças de saída e os movimentos tornam-se altamente sintonizáveis," disse Li. "Podemos até incorporar mais de um pistão de tensão em uma única câmara, ou dar um passo adiante e também fabricar a câmara com um material flexível, como um tecido de nylon hermético".

"Estes 'pistões de tensão' fabricados com estruturas que incorporam materiais flexíveis e macios são uma abordagem fundamentalmente nova à arquitetura dos cilindros [hidráulicos e pneumáticos], abrindo um amplo espaço de design. Eles podem ser colocados em máquinas, substituindo os pistões convencionais, proporcionando maior eficiência energética," acrescentou o professor Robert Wood, coordenador da equipe.

Bibliografia:

Artigo: Tension Pistons: Amplifying Piston Force Using Fluid?Induced Tension in Flexible Materials
Autores: Shuguang Li, Daniel M. Vogt, Nicholas W. Bartlett, Daniela Rus, Robert J. Wood
Revista: Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.201901419

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