Dissertação de Mestrado

"Construção e caracterização de atuadores

baseados em polímeros eletroativos para
aplicações em robótica e bioengenharia"

Autor: Laos Alexandre Hirano
Orientador: Prof. Dr. Luiz de Siqueira Martins Filho
Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo de Oliveira Duarte
Co-orientador: Prof. Dr. Rodrigo Fernando Bianchi

Fevereiro de 2009

Laos Alexandre Hirano

"Construção e caracterização de atuadores baseados em polímeros
eletroativos para aplicações em robótica e bioengenharia"

Dissertação de Mestrado apresentada ao
Programa de Pós-Graduação em Engenharia
de Materiais da REDEMAT, como parte
integrante dos requisitos para a obtenção do
título de Mestre em Engenharia de Materiais.

Área de concentração: Análise e seleção de materiais
Orientador: Prof. Dr. Luiz de Siqueira Martins Filho
Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo de Oliveira Duarte
Co-orientador: Prof. Dr. Rodrigo Fernando Bianchi

Ouro Preto, fevereiro de 2009

H668c

Hirano, Laos Alexandre.
Construção e caracterização de atuadores baseados em polímeros eletroativos
para aplicações em robótica e bioengenharia [manuscrito]/ Laos Alexandre Hirano
­ 2009.
ix, 76f.: il. color., grafs., tabs.
Orientador: Prof. Dr. Luiz de Siqueira Martins Filho.
Co-orientador: Prof. Dr. Ricardo de Oliveira Duarte.
Co-orientador: Prof. Dr. Rodrigo Fernando Bianchi.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Rede Temática
em Engenharia de Materiais.
Área de concentração: Análise e seleção de materiais.
1. Robótica - Teses. 2. Bioengenharia - Teses. 3. Polímeros - Teses.
I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
CDU: 681.5

Catalogação: [email protected]

"Os únicos limites são os que criamos"
(Santos Dumont)

"Sonhar com o impossível é o primeiro
passo para torná-lo possível"
(Confúcio)

"Ande sobre estas folhas de papel de arroz
sem rasgá-las..."
(Mestre Pô e Mestre Luiz)

Agradecimentos
A Deus pelas benções de todos os dias e por ter colocado a palavra "yamato damashi"em
minha vida, uma palavra que não se traduz, e sim se entende, e que me deu coragem, força e
paciência perante todos os desafios durante a minha vida acadêmica.

Aos meus pais, João e Lélia pelo exemplo de vida, pelo infinito carinho e pela força nas
horas mais complicadas. À minha maninha Letícia pela paciência e atenção, e aos meus avós
Umeo, Kimiko, Isao (deixaram saudades) e Kayoko pelos ensinamentos.
À minha namorada, Carolina pelo carinho, amor e paciência, principalmente nas horas
mais difíceis, e seus pais, Ronaldo e Rosane, pela amizade e hospitalidade. Agradecimentos
especiais também aos tios e primos que me acolheram com muito carinho.
Ao Prof. Luiz Martins , pela orientação, pelo incentivo e, principalmente, pela confiança
e amizade fornecidas. Também não posso deixar de agradecer por todos os ensinamentos, em
especial, andar sobre a papel de arroz sem rasgá-lo. Obrigado pela harmonia "mestre e gafanhoto".
Ao Prof. Ricardo Duarte, pela orientação, pela amizade, pelos exemplos de seriedade e,
principalmente, pelos ensinamentos de ética acadêmica.
Ao Prof. Rodrigo Bianchi, pela orientação, pela compreensão e pelas discussões que
enriqueceram o trabalho. Também não posso deixar de agradecer pela referência em seriedade
e dedicação à carreira acadêmica.

Ao Prof. Ricardo Prado, o "Pradim", pela amizade e companheirismo, e pelas contribuições na área de circuítos elétricos.
Ao Prof. José Fernando Paiva, pela disponibiliade, atenção, e pela enorme contribuição
nos experimentos de síntese das amostras dos músculos artificiais.
Ao Prof. Mauro Schettino Souza, pela amizade, e todos colegas do DECBI pela contribuição na parte de biomecânica.
Aos amigos de laboratório do LASCA, pela estrutura, pelo companheirismo e pelos momentos de descontração.

Aos amigos de mestrado, em especial, aos amigos do LAPPEM, pelo companheirismo,
pela atenção e paciência.
Aos irmãos da república Kamikaze, Thiago (Praga), Arnaldo (Pikashu), Junio (Mula Molusko), Guilherme (Monstrinho), Diego (Mariposa), Geraldo (Preguiça) e Arthur (Treco), pela
amizade e companheirismo.
Aos amigos da república Skulaxu, pela amizade e rocks.
Aos amigos de trabalho da Coopvest, amigos que me acolheram e me ensinaram muito.
A DuPont por fornecer uma amostra de Nafion R para a síntese de amostras.
A REDEMAT e CAPES pelo apoio financeiro.

Sumário
Sumário

i

Lista de Figuras

iv

Lista de Tabelas

vii

Resumo

viii

Abstract

ix

1

Introdução

1

1.1

Biomimética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2

Descrição do problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.3

Organização da dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2

Polímeros Eletroativos
2.1

2.2

9

EAPs Elétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.1.1

EAPs ferroelétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.1.2

EAPs dielétricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.1.3

Papéis Eletrostrictivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

EAPs Iônicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15
i

SUMÁRIO

3

4

2.2.1

Géis poliméricos iônicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.2.2

Compósitos de polímero iônico e metal . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.2.3

Polímeros condutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.3

Comparação entre EAPs elétricos e iônicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.4

Aplicações de EAPs em robótica e bioengenharia . . . . . . . . . . . . . . . .

19

Compósitos de polímero iônico e metal

23

3.1

Mecanismo de funcionamento dos IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.2

Capacidade de sensoriamento do IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.3

Metodologias para preparação de IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.3.1

Primeiro método de preparação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.3.2

Segundo método de preparação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

Experimentos elétricos com os IPMCs

36

4.1

Testes de deformação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

4.1.1

Procedimento experimental (Setup) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.1.2

Influência no sentido de lixamento na deformação do IPMC . . . . . .

40

4.1.3

Deformação do IPMC em função do tempo . . . . . . . . . . . . . . .

41

4.1.4

Deformação em função da freqüência . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

Caracterização elétrica dos IPMCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

4.2.1

Medidas DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

4.2.2

Medidas AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

4.2

5

Conclusões e discussões

51

5.1

53

Trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Referências Bibliográficas

54
ii

SUMÁRIO

Apêndices

58

A Desenvolvimento de um anuro robótico com atuadores baseados de músculos artificiais de EAPs

58

iii

Lista de Figuras
1.1

Organização da biomimética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2

Semelhança entre a estrutura de aviões e tubarões . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.3

Roupa de natação com textura inspirada em pele de tubarão. . . . . . . . . . .

2

1.4

Esquema de uma parede com isolamento térmico inspirado em ursos polares . .

3

1.5

Telhado inspirado no mecanismo de coleta de água presente em plantas. . . . .

3

1.6

Superfície do velcro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.7

Ranhuras na superfície de pneus inspirados em patas de sapos. . . . . . . . . .

4

1.8

Exemplos de biomimética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.9

Um exemplo de cefalópode, que realiza movimentos de grande complexidade e
flexibilidade

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

1.10 Movimento esperado pela membrana para uma entrada de tensão de onda quadrada
de amplitude constante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.1

Peixe robótico desenvolvido pela EAMEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.2

Face robótica desenvolvida com EAPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.3

Girino robótico com atuadores de EAPs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.4

Robô aquático inspirados em peixes rajiformes com atuadores de EAPs . . . .

10

2.5

Robô tipo verme com movimentos acionados por EAPs . . . . . . . . . . . . .

10

2.6

Braço robótico com atuadores de EAPs elétricos (fonte: http://eap.jpl.nasa.gov).

11
iv

LISTA DE FIGURAS

2.7

Amostra de EAP ferroelétrico antes de depois da aplicação de campo elétrico .

13

2.8

Efeito observado em EAPs elétricos quando suas placas são polarizadas. . . . .

13

2.9

EAP dielétrico antes e depois da aplicação do campo elétrico . . . . . . . . . .

14

2.10 EAP dielétrico antes e depois da aplicação do campo elétrico . . . . . . . . . .

14

2.11 Mecanismo de migração de íons dentro da matriz polimérica do gel eletroativo

16

2.12 Contração de gel iônico a partir da alteração de pH . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.13 Amostra de gel não iônico desenvolvido por Hirai et al. . . . . . . . . . . . . .

16

2.14 Amostra de IPMC antes e depois da aplicação de um campo elétrico . . . . . .

17

2.15 Aplicação típica do Nafion R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.16 Amostra de um EAP de polímero condutor antes e depois da aplicação de um
campo elétrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.17 Foto do robô octópode Dante desenvolvido para inspeções vulcânicas . . . . .

21

2.18 Robô quadrúpede, Aibo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.19 Robô humanóide, Asimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.20 Biomimetismo de libélula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.21 Sistema MEMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.1

Mosca robótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.2

Fórmulas estruturais dos polímeros (a) Nafion R , (b) Flemion R e (c) Aciplex R .

24

3.3

Mecanismos de deformação IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.4

Ilustração da preparação de amostras de IPMC . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.5

Fotos da membrana antes e depois da deposição . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.6

MEV da interface eletrodo-polímero do IPMC obtido pelo método de Oguro . .

31

3.7

MEV da interface eletrodo-polímero do IPMC obtido pelo método de Preethichandra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34
v

LISTA DE FIGURAS

4.1

Sistema de aquisição e geração de sinais NI-6009 da National Instruments e
ambiente de programação Labview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.2

Circuito seguidor de tensão utilizando amplificador operacional CI741 . . . . .

38

4.3

Sinal gerado nos dois terminais do gerador e a deformação esperada no IPMC .

39

4.4

Circuito de subtração de tensões utilizando amplificador operacional . . . . . .

40

4.5

Deslocamento da onda quadrada gerada no NI-6009 para valores negativos . . .

40

4.6

Esquema elétrico do circuito de subtração de tensões e seguidor de tensão . . .

40

4.7

Foto do experimento com as amostras lixadas no sentido horizontal (lado esquerdo) e vertical (lado direito) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

4.8

Deformação do IPMC em função do tempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

41

4.9

Deformação do IPMC obtido pelo método de Preethichandra em função do tempo 43

4.10 Deformação do IPMC obtido pelo método de Oguro em função do tempo . . .

43

4.11 Gráfico do ângulo normal da reta que une os terminais elétricos e a extremidade
da amostra para o IPMC de Preethichandra . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.12 Gráfico do ângulo normal da reta que une os terminais elétricos e a extremidade
da amostra para o IPMC de Oguro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.13 Movimento esperado pelos íons e a deformação da amostra de IPMC em campos elétricos de baixa freqüência e alta freqüência . . . . . . . . . . . . . . . .

45

4.14 Medidas DC 1a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.15 Medidas DC 1b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.16 Medidas DC 2a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.17 Medidas DC 2b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

47

4.18 Medidas DC 3a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

4.19 Medidas DC 3b . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

4.20 Medidas AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

50
vi

Lista de Tabelas
2.1

Vantagens e desvantagens de EAPs elétricos e iônicos

. . . . . . . . . . . . .

19

3.1

Redução primária do eletrodos de Platina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.2

Equações envolvidas na redução secundária durante o preparo dos eletrodos

4.1

pelo método de Preethichandra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

34

Funções complexas obtidas a partir das componentes da impedância complexa .

50

vii

Resumo
Os músculos dos seres vivos evoluíram ao longo de milhões de anos, dotando os animais de
mecanismos para a realização de movimentos extremamente complexos, provendo locomoção
e interações as mais diversas com o ambiente. Este trabalho, no contexto do crescente interesse por essas propriedades e da inspiração nos sistemas vivos, é uma contribuição para
o desenvolvimento de atuadores com capacidades e características semelhantes aos músculos
biológicos. Novos materiais, principalmente os poliméricos, que modificam a sua forma e/ou
dimensão em resposta a estímulos elétricos, constituem bases para a realização de dispositivos
artificiais que mimetizam os músculos naturais, e suas principais propriedades funcionais.
O estudo concentra seu interesse nos polímeros eletroativos (EAP) aplicados à robótica
e bioengenharia. A motivação central é a importância do desenvolvimento de sistemas mecatrônicos que substituam mecanismos tradicionais de acionamento e movimentação baseados
em motores elétricos rotacionais por acionamentos baseados em dispositivos contruídos com
músculos artificiais. Além de uma revisão sobre os diversos tipos de EAPs, o trabalho apresenta detalhes de um tipo específico de material eletroativo, os compósitos de polímero iônico
e metal (IPMC). Estes materiais são constituídos de uma membrana de trocas protônicas com
eletrodos, de metais nobres, depositados em ambas as faces. Dois procedimentos de síntese
deste tipo de material são apresentados, incluindo-se uma análise comparativa entre o desempenho eletromecânico das diferentes amostras preparadas. A partir da constatação, da longo
dos experimentos, da importância do estudo dos mecanismos de transporte dos grupos iônicos dentro da matriz polimérica, foram realizados testes experimentais baseados em técnicas
de medições elétricas em campos DC e AC. Uma análise sobre os resultados obtidos e uma
discussão sobre as contribuições deste trabalho concluem o texto.
viii

Abstract
The millions of years evolution of the alive beings muscles equipped animals with mechanisms
for accomplishment of highly complex movements, providing locomotion and a diversity of interactions with the environment. This work considers the context of increasing interest on the
muscles properties and the inspiration on alive beings, and it aims to be a contribution for
the development of actuators with capabilities and characteristics similar to the presented by
biological muscles. New materials, mainly the polymers, that modify their shape and/or dimensions when responding to electrical stimulus, constitue the basis for the artificilal device
realization, mimetizing the natural muscles and their main functional properties.
This study focuses its interest on the electroactive polymers (EAP) applied to robotics
and bioengineering. The main motivation is the importance of mechatronic systems' development for the replacement of traditional devices of actuation and motion based on rotational
electrical motors by devices based on artificial muscles. In addition to a review on the different
types of EAPs, the work presents a detailed study concerning a specific type of electroactive
material, the ionomeric polymer-metal composites (IPMC). These materials are built based
on proton exchanges membranes, with electrodes of noble metals, deposited on both membrane
faces. Two synthesis procedures to obtain this material area presented, including a comparative
analysis between the electromechanical performance of different prepared samples. During the
experiments, the importance of studying the mechanisms of transport of ionic groups within the
polymer matrix was remarked, suggesting experimental test based on techniques for measuring
electric fields in DC and AC. The analysis of the study results and a discussion on the obtained
contributions conclude the text.

ix

Capítulo 1
Introdução
Os músculos dos seres vivos evoluíram ao longo de milhões de anos e passaram a realizar
movimentos extremamente complexos que permitem a realização de tarefas as mais diversas,
e otimizam a utilização de energia disponível no organismo vivo. Interessados nestas propriedades e inspirados nesses sistemas vivos, pesquisadores buscam continuamente desenvolver
atuadores com capacidades e características semelhantes aos músculos biológicos. Novos materiais, principalmente polímeros, que modificam a sua forma e/ou dimensão em resposta a
estímulos elétricos, têm sido estudados como possíveis bases para a realização de dispositivos
artificiais que mimetizam os músculos naturais, e suas principais propriedades funcionais.
Este trabalho trata do estudo desses materiais eletroativos, mais especificamente de materiais compósitos polímeros-metais, que recentemente vêm sendo utilizados para a construção
de dispositivos de produção de movimentos e esforços para aplicações em robótica e bioengenharia. O objetivo é construir esses dispositivos, dominar as técnicas e os procedimentos
de sua produção, e caracterizar o material sob a ênfase de propriedades elétricas e mecânicas.
Esse estudo pretende acumular conhecimentos para o projeto de dispositivos, e elaborar/testar
propostas de aprimoramento nos procedimentos de produção, visando obter melhorias significativas nas características funcionais do material.

1

1.1. BIOMIMÉTICA

1.1

Biomimética

Se olharmos ao nosso redor, é possível perceber que a natureza é repleta de mecanismos que
permitem a um indivíduo, uma melhor adaptação ao meio em que habita. A compreensão destes
mecanismos e suas características estruturais serviram, para muitos cientistas, como ponto de
partida para projetos de dispositivos presentes no nosso cotidiano. A disciplina que busca
soluções para problemas de engenharia, de ciência dos materiais, da medicina e de outros campos, em mecanismos naturais é chamado de biomimética [1]. O estudo da biomimética (palavra
derivada do grego " iov", que significa vida e "mimesis"de imitação [2]) inicia-se na observação
e descrição de um modelo biológico. Estes modelos são utilizados para desenvolver soluções
técnicas e que, por seguinte são implementados com analogias inspiradas nestas soluções[1, 3].
A figura 1.1 mostra a organização do estudo de biomimética.

Figura 1.1: Organização da biomimética (fonte: www.uniderp.br/bionica/mat_apoio.htm).
Na área de ciência dos materiais, um exemplo particularmente interessante de biomimética
pode ser observado na superfície de aviões. O material que compõe a superfície da aeronave
possui ranhuras ásperas, semelhante às presentes na pele do tubarão, que reduzem o arrasto
implicando na diminuição do consumo energético (figura 1.21 ). Baseado no mesmo princípio,
recentemente nas olimpíadas foi desenvolvido uma roupa de natação ilustrada na figura 1.32
com a mesma finalidade de economia de energia.
1 Tubarões

apresentam pequenos orifícios em sua pele na direção do fluxo da água. Testes em laboratórios
provaram que estes orifícios reduzem significativamente o atrito (10 a 11%). Aplicados em aeronaves, este mecanismo permitiu uma economia de 4% de combustível (dependendo do tamanho da aeronave, o consumo pode ser
reduzido de 50.000 a 150.000 litros por ano).
2 A tela da roupa imita as ranhuras ásperas presentes na pele do tubarão para reduzir o atrito nas áreas chaves
e caracteriza um sistema de gerenciamento de turbulência. As talas brancas da tela permitem uma flexibilidade
maior e menor atrito. A diminuição do atrito implica em menor consumo de energia, que resultaram em maior
velocidade e maior fôlego para o atleta [3]

2

1.1. BIOMIMÉTICA

Figura 1.2:
Semelhança entre a
www.uniderp.br/bionica/mat_apoio.htm).

estrutura

de

aviões

e

tubarões

(fonte:

Figura 1.3: Roupa de natação com textura inspirada em pele de tubarão (fonte:
www.uniderp.br/bionica/mat_apoio.htm).
A biomimética também pode ser observada na construção civil, por exemplo, em estruturas de isolamento térmico inspirado na pele de ursos polares. Paredes térmicas apresentam
as mesmas características dos seus pelos dos ursos que são excitados pela incidência de raios
ultravioleta produzindo luminescência e calor para a superfície da pele. A superfície é negra
para aumentar a eficiência na absorção de calor (ver a figura 1.4). Ainda na construção civil,
algumas estruturas de captação de água de chuva são inspiradas em várias plantas, conforme
mostra a figura 1.5.
No estudo de superfícies funcionais existem exemplos comuns do nosso cotidiano, tais
como o velcro e as ranhuras de pneus de carro, que também são invenções biomiméticas. O
velcro (figura 1.6) foi inventado após a observação de que algumas plantas possuem rebarbas,
na forma de pequenos ganchos, que eram capazes de aderir à roupa que possui pequenos laços.
Da mesma maneira, as ranhuras dos pneus (figura 1.7) foram implementadas após investigar e
entender que as patas de sapos possuem ranhuras que impedem que escorreguem durantes os
saltos [3].
3

1.1. BIOMIMÉTICA

Figura 1.4: Esquema de uma parede com isolamento térmico inspirado em ursos polares (fonte:
www.uniderp.br/bionica/mat_apoio.htm).

Figura 1.5: Telhado inspirado no mecanismo de coleta de água presente em plantas.

Figura 1.6: Superfície do velcro
Além destes exemplos, outras diversas soluções inspiradas em sistemas biológicos podem
ser observadas em várias áreas de atuação. No sensoriamento, podemos citar o sonar que tem
seu princípio de funcionamento inspirado em baleias, golfinhos e morcegos (figura 1.8 parte
superior), ou na química, onde tintas são desenvolvidas com o mesmo princípio biológico de
plantas como as pétalas da flor de lótus (figura 1.8 parte intermediária) que são capazes de
repelir água e contaminações1 , ou na aerodinâmica de aeronaves inspirada em aves (figura 1.8
1 As pétalas da flor do lótus repelem não somente água assim como contaminações, graças à estrutura biológica
presente nas pétalas desta flor. Um revestimento para uma superfície que fosse desenvolvido utilizando uma
estrutura equivalente da presente na flor de lótus eliminaria a necessidade de lavar os carros. O orvalho da manhã
seria suficiente para fazer com que a sujeira role da superfície da pintura mantendo o automóvel sempre limpo.

4

1.2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA

Figura 1.7: Ranhuras na superfície de pneus inspirados em patas de sapos.
parte inferior), entre outras aplicações.

Figura 1.8: Exemplos de biomimética.

1.2

Descrição do problema

A biomimética também está presente na engenharia de robôs. A inspiração biológica na construção de sistemas robóticos possibilita movimentos não rígidos e torna possível o desenvolvimento de estruturas mecânicas similares aos músculos e juntas, que podem se adaptar em dife5

1.2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA

rentes situações. A arquitetura descentralizada de controle inspirada biologicamente possibilita
que sistemas menores sejam responsáveis por partes do processo de movimentos, sendo assim
mais tolerantes a falhas [3, 1, 4].
No que se refere aos mecanismos de movimento, os seres vivos adquiriram, ao longo do
processo evolutivo músculos, que os permitem realizar movimentos cada vez mais complexos
visando melhor adaptação, maior eficiência na realização de tarefas, e diminuição do consumo
energético. E estes movimentos são dificilmente reproduzidos por atuadores como motores e
junções devido à exigência de um número demasiado grande de atuadores. Como exemplo
ilustrativo, os movimentos de um cefalópode, como um polvo (figura 1.9), dificilmente seriam
realizados por um conjunto composto de motores e juntas rotacionais. A cada movimento adicional, são exigidos mais graus de liberdade para o mecanismo robótico, o que sugere aumento
no número de motores, junções e engrenagens. Um sistema robótico com muitos graus de liberdade, baseado em atuadores tradicionais de motores elétricos rotacionais, apresenta desvantagens importantes tais como [5, 6]:
· Aumento significativo no custo: Motores elétricos e o seu controle envolvem muitos
componentes, que pode elevar consideravelmente o custo para a reprodução da plataforma robótica;
· Aumento de massa do sistema mecatrônico: Motores são atuadores pesados por causa
de suas bobinas do rotor e imãs do estator. Além disso, para a realização de movimentos de translação, são necessários conjuntos de engrenagens que contribuem para este
aumento.
· Aumento dos ruídos causados pelos motores e junções: A comutação nas escovas,
folgas de engrenagens e pequenas assimetrias no eixo de rotação dos motores introduzem
vibrações à plataforma;
· Aumento da possibilidade de falhas mecânicas: O conjunto de motores e engrenagens,
ao longo de seu funcionamento, pode ter suas juntas afrouxadas por causa de impactos e
vibrações, levando a posteriores falhas mecânicas;
6

1.2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA

· Diminuição da velocidade de atuação: Com o aumento da massa (inércia) da plataforma,
é requerido maior esforço dos motores que pode causar retardamento dos movimentos da
plataforma;
· Aumento da energia consumida pelos motores: Com o aumento da massa (inércia) da
plataforma, é requerido maior esforço dos motores e, conseqüentemente, maior consumo
energético;
· Inviabilidade de miniaturização: No momento não existem motores elétricos comerciais de pequeno porte. Mesmos as motores em miniatura não comerciais, ainda não
apresentam precisão, velocidade e torque adequados.
· Dificuldade na realização de movimentos suaves: Motores e pistões não realizam movimentos suaves.

Figura 1.9: Um exemplo de cefalópode, que realiza movimentos de grande complexidade e
flexibilidade
Uma solução para suprir estas deficiências é a substituição de atuadores baseados de motores e pistões elétricos por atuadores baseados em polímeros eletroativos (do inglês ElectroActive Polymer - EAP). Os EAPs são materiais inovadores que têm a capacidade de modificar a sua
forma e/ou a sua dimensão em resposta a estímulos elétricos. Os EAPs podem ser classificados
de acordo com o seu princípio de funcionamento, sendo estes de natureza eletro-química, eletromecânica e/ou eletro-químico-mecânica. Como estes materiais são semelhantes a borrachas
e plásticos, é possível construir atuadores leves, flexíveis e (geralmente) baratos. Atuadores
baseados de EAPs apresentam movimentos suaves e com baixo consumo energético. Alguns
7

1.2. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA

tipos de EAP apresentam grandes deformações, mesmo em pequena escala, viabilizando aplicações que exijam miniaturização de atuadores. Esta característica torna possível a construção
de músculos artificiais compostos de sistemas menores, responsáveis por partes dos movimentos, obtendo assim suavidade, mais graus de liberdade, e maior flexibilidade[4, 7].
Os EAPs também são eficientes conversores de energia mecânica em energia elétrica permitindo que estes sejam utilizados como sensores de deformação. Esforços mecânicos modificam a distribuição de cargas internas, produzindo pequenas diferenças de potencial que podem
ser medidas em suas extremidades e relacionadas com o nível de deformação. O nível de tensão
em função da deformação varia de acordo com as dimensões do material e dos mecanismos de
deformação presentes na fase polimérica.
Dentre os EAPs destacam-se os compósitos de polímero iônico e metal (do inglês
Ionomeric Polymer-Metal Composites - IPMC) devido ao mecanismo de dobramento eficiente,
à rápida resposta ao estímulo elétrico e a capacidade de grandes deformações ativados com
baixas tensões elétricas (de 1 a 5 volts). Os IPMCs são materiais compostos de uma fina camada
de um polímero iônico capaz de realizar trocas protônicas cobertas, sobre ambos os lados, por
uma película metálica constituindo eletrodos. Quando uma diferença de potencial é aplicada ao
longo de uma amostra em fita de IPMC hidratado, os eletrodos metálicos são polarizados com
cargas opostas e um campo elétrico é ativado sobre a parcela polimérica. Os cátions presentes
na matriz polimérica migram rumo ao cátodo carregando moléculas de água, criando um gradiente de concentração de água. Conseqüentemente, o material dobra em resposta a expansão do
cátodo e contração do ânodo. Outro mecanismo que se soma a este, ampliando o efeito de deformação, são as interações elétricas de grupos aniônicos fixos da membrana com os eletrodos.
No entanto, IPMCs apresentam algumas desvantagens para aplicações em robótica, tais como
restrições às condições de operação, baixas densidade de força apesar de apresentarem grandes
deformações e dificuldade no controle de posição[4].
Este estudo tem como objetivo geral a compreensão das propriedades eletromecânicas
dos IPMCs para aplicações em robótica e bioengenharia. Inicialmente foram realizados experimentos para analisar a dinâmica do material em função da tensão aplicada, com o objetivo de
obter parâmetros eletromecânicos. Estes parâmetros serão incluídos em modelos matemáticos
8

1.3. ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO

para compor um sistema de controle preciso de posição e velocidade de atuadores de IPMC.
Também serão apresentadas comparações de desempenho da membrana para diferentes métodos de preparação. O objetivo dessas comparações é acumular informações sobre os fatores que
influenciam na deformação para futuramente elaborar novos métodos de preparação de amostras
que resultem em IPMCs com novas propriedades.
No entanto, durante os experimentos foi observado que as amostras apresentavam comportamentos inicialmente não previstos na revisão bibliográfica. Para uma entrada de tensão de
onda quadrada com amplitude constante, era esperado que a amostra deformasse em um movimento simétrico de ida e volta com raios de curvatura também constantes, conforme mostra a
figura 1.10. Porém, foi observado que os movimentos de ida e volta não eram simétricos, e
nos primeiros ciclos, o raio de curvatura e a velocidade de deformação eram pequenos e, com o
transcorrer do tempo este raio e a velocidade de deformação ficavam maiores.

Figura 1.10: Movimento esperado pela membrana para uma entrada de tensão de onda quadrada
de amplitude constante
Para a compreensão destes fenômenos serão investigados os fenômenos de transporte
de cargas no interior do material que promovem a deformação. Serão utilizadas técnicas de
caracterização elétrica comumente utilizadas no estudo de polímeros condutores: as técnicas de
medidas DC e AC.

1.3

Organização da dissertação

Esta dissertação apresenta, além de uma breve revisão sobre biomimética, uma revisão geral
sobre os polímeros eletroativos explicando suas classes, princípio de funcionamento e características eletromecânicas. Também será apresentado o estudo detalhado de um tipo de EAP:
9

1.3. ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO

os compósitos de polímero iônico e metal. Neste estudo será apresentada uma revisão sobre os
mecanismos de funcionamento que promovem os movimentos e possibilitam o sensoriamento
do IPMC, dois métodos de preparação de amostras e alguns testes de caracterização visando
compreender melhor os mecanismos de deformação e características eletromecânicas. Uma
análise dos resultados obtidos e discussões sobre as contribuições desta dissertação para algumas aplicações de robótica e bioengenharia concluem o texto.
A dissertação apresenta-se organizada em 6 capítulos da forma como segue:
Capítulo 1: apresenta uma breve revisão sobre o conceito biomimética e alguns exemplos cotidianos de invenções biomiméticas; discute a importância da biomimética na robótica e
discute a importância de substituir atuadores tradicionais por atuadores baseados de EAPs para
atender aos movimentos dos modelos biológicos; expõe um tipo de EAP que será apresentado
detalhadamente (o IPMC) e a forma como o trabalho será desenvolvido.
Capítulo 2: apresenta a motivação pelo estudo de EAPs, a sua definição, a classificação
destes em EAPs elétricos e EAPs iônicos, seus mecanismos de funcionamento e uma revisão
comparando características dos dois tipos de EAPs. Uma discussão sobre a sua aplicação em
robótica e bioengenharia encerra o capítulo.
Capítulo 3: apresenta detalhadamente os mecanismos que são ativados por estímulos
elétricos e que promove a deformação dos IPMC. O capítulo também conta com uma breve
apresentação sobre a sua capacidade de sensoriamento e uma discussão sobre testes qualitativos
de sensoriamento.
Capítulo 3.3: apresenta dois métodos de preparação de amostras de IPMC, imagens da
fase metálica depositada sobre a membrana e comenta algumas observações ocorridas durante
o procedimento experimental.
Capítulo 4: Este capítulo está divido em duas partes. A primeira concentra nos testes
de deformação em função da tensão aplicada. Inicialmente são comparadas as deformações de
IPMCs preparados por procedimentos diferentes. Comentários sobre a obtenção de parâmetros
de controle encerram essa primeira parte. A segunda parte deste capítulo apresenta métodos
de caracterização elétrica para determinação de fatores ligados aos fenômenos de transporte de
10

1.3. ORGANIZAÇÃO DA DISSERTAÇÃO

cargas, as quais são responsáveis pela deformação do material: as técnicas de medidas DC e
AC. A apresentação e discussão dos resultados obtidos concluem o capítulo.
Capítulo 5: expõe as conclusões finais, discutindo os resultados encontrados, fazendo
recomendações e sugestões para trabalhos futuros.

11

Capítulo 2
Polímeros Eletroativos
Durante décadas, muitas pesquisas e projetos de atuadores e dispositivos eletromecânicos para
geração de movimentos foram desenvolvidos, principalmente, em aplicações para robótica e
bioengenharia. Estas pesquisas buscaram soluções com resultados práticos que se aproximassem daqueles observados em sistemas vivos, os músculos biológicos. Estes são capazes de
exercer quantidades de força basicamente controladas pela largura dos pulsos nervosos, constituindo um sistema suficientemente preciso para obter movimentos diferentes, tais como no
movimento das pálpebras no piscar de olhos, ou na realização de movimento e força para levantar pesos consideráveis. Os músculos apresentam ainda outra propriedade interessante: a
invariância de escala. Seu mecanismo de funcionamento obtém desempenho com a mesma
eficácia para diversos tamanhos, razão pela qual, tecidos musculares muito semelhantes em
sua constituição biológica serve como provedor de movimento e força tanto para animais de
pequeno porte, como os insetos, quanto para os de maior porte, como os elefantes [8].
Na década de 90, com o contínuo desenvolvimento de novos materiais, surgiram polímeros
com capacidade de resposta a estímulos elétricos com mudanças tanto de forma como de dimensões significativas. Essa propriedade eletroativa atraiu o interesse de pesquisadores que trabalham em projetos de dispositivos baseados em novas formas de atuação e obtenção de movimento e esforços. Um dos focos principais deste estudo é a utilização destes materiais como alternativa para substituir atuadores tradicionais baseados em motores eletromecânicos rotativos.
Esses materiais foram denominados polímeros eletroativos, ou EAPs (do inglês ElectroActive
12

Polymers). Como estes materiais apresentam um comportamento dinâmico muito parecido com
os músculos naturais, os EAPs são chamados muitas vezes por alguns pesquisadores de "músculos artificiais" [5], ainda que outros materiais e outras propostas construtivas também sejam
assim denominados.
Os EAPs despertam interesse nos pesquisadores de biomimética, já que músculos artificiais de EAPs podem ser utilizados para imitar os movimentos de animais com desempenho
satisfatório. Alguns grupos de pesquisa, graças a um esforço em pesquisas com esses materiais,
obtiveram êxito na construção de alguns dispositivos utilizando atuadores de EAPs, explorando
suas principais características voltadas à robótica flexível (alguns exemplos podem ser vistos
nas figuras 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 e 2.5). Uma proposta de aplicação biomimética dos EAPs, desenvolvida no contexto desse estudo, está descrita no Apêndice A, que constitui uma motivação
adicional para esse estudo dos EAPs. Nesta proposta, na forma de um artigo a ser apresentado
numa conferência internacional de robótica, estudamos a construção de robô móvel inspirado
nos animais da ordem Anura (por exemplo, sapos e rãs), com o movimento acionado por atuadores baseados em polímeros eletroativos construídos no âmbito desse projeto de pesquisa.

Figura 2.1: O primeiro produto comercial a base de EAP - um peixe robótico desenvolvido pela
japonesa EAMEX. Estes nadam sem baterias, motores ou engrenagens. Todo acionamento é à
base de EAPs. A energia provém de um rolo indutivo carregado situado no topo do aquário.
(fonte: http://eap.jpl.nasa.gov).
Outra aplicação funcional desses materiais é baseada no fenômeno de produção de uma
diferença de potencial quando submetidos a um esforço mecânico. Essa característica permite
13

Figura 2.2: Face robótica desenvolvida com EAPs. Expressões faciais são dificilmente reproduzidas por atuadores convencionais. Atuadores de EAPs, além de menores, são maleáveis
permitindo mais expressões para o protótipo. Estes robôs são chamado de "animatronics" pela
industria cinematográfica.(fonte: http://eap.jpl.nasa.gov).

Figura 2.3: Girino robótico com nadadeiras baseada de atuadores de EAPs. Os terminais 1 e 2
são baseados EAPs para produzurem um movimento ondulatório [9].

Figura 2.4: Robô aquático inspirados em peixes rajiformes com atuadores de EAPs [10].
que os EAPs possam ser utilizados como sensores de deformação. Esforços mecânicos aplicados sobre o material provocam uma modificação na distribuição de cargas internas e/ou na
orientação de pólos, produzindo assim uma pequena diferença de potencial proporcional à deformação que pode ser coletada em suas extremidades. O nível de tensão gerado varia de acordo
com o princípio de funcionamento do material específico que constitui a fase polimérica do EAP
14

2.1. EAPS ELÉTRICOS

Figura 2.5: Robô rastejante inspirado em vermes. Este robô consiste de vários EAPs seguimentados com controle individual [11].
[5, 12].
Os EAPs podem ser classificados em dois grupos de acordo com o seu princípio de
funcionamento: os EAPs elétricos, cuja deformação é proveniente de forças elétricas (como
previsto nas leis de Coulomb), e os EAPs iônicos, que têm sua deformação causada por efeito
de migração de grupos presentes no interior da fase polimérica (geralmente água) [5, 6].

2.1

EAPs Elétricos

Esta seção apresenta uma breve revisão sobre os EAPs elétricos, incluindo algumas descobertas
mais recentes sobre esse material. Os mecanismos eletromecânicos desta classe de EAPs são
baseados em fenômenos característicos de materiais piezelétricos, que são basicamente lineares,
e também em fenômenos não lineares como a eletrostricção e os tensores de Maxwell.
Os EAPs elétricos exigem voltagens relativamente altas, exigindo cuidados na sua instalação e acionamento. Mas, em compensação, os EAPs elétricos são capazes de reagir rapidamente e gerar forças mecânicas vigorosas. Além disso, EAPs elétricos estão sendo amplamente
estudados pelos cientistas no estudo de sensores, uma vez que estes são bons conversores de energia (convertem energia mecânica em energia elétrica). Estes materiais resistem bem a vários
ambientes e requerem uma corrente quase nula para se manter em determinada posição. Apesar dos riscos devido às altas tensões, o material usado pelo Stanford Research Institute para
construir músculos artificiais se enquadra nesta categoria (ver figura 2.6).

15

2.1. EAPS ELÉTRICOS

Figura 2.6: Braço robótico com atuadores de EAPs elétricos (fonte: http://eap.jpl.nasa.gov).

2.1.1

EAPs ferroelétricos

O fenômeno da piezeletricidade foi descoberto em 1880 por Pierre e Paul-Jacques Curie, que
observaram que uma diferença de potencial é gerada na superfície de certos tipos de cristais
(como o quartzo) quando estes são comprimidos ao longo de certos eixos. No ano seguinte,
descobriu-se que o efeito inverso também era observado, ou seja, o material sofre deformações
quando submetidos a um campo elétrico. A piezeletricidade é um efeito eletromecânico linear
onde a força mecânica (S) e a tensão (T) estão relacionados com o campo elétrico (E) e a
mudança de densidade (D) [5]. O modelo matemático desse fenômeno é dado por:

S = dE

(2.1)

D = dT

(2.2)

onde d é o coeficiente piezelétrico. Assim, a deformação destes materiais pode ser descrita por
um tensor de terceira ordem dado por:
d = ( D/ T )E = ( S/ E)T

(2.3)

A piezeletricidade ocorre em materiais não-centro simétricos e o fenômeno passa a ser
chamado de ferroeletricidade quando o cristal ou o material dielétrico exibe polarização espon16

2.1. EAPS ELÉTRICOS

tânea. Assim, quando expostos a um campo elétrico, estes dipolos mudam sua orientação entre
duas ou mais direções cristalográficas distintas causando a deformação do material. Além de
algumas cerâmicas, esse fenômeno pode ser observado em alguns polímeros que possuem parte
de sua estrutura na forma cristalina [5]. Essa fase apresenta uma distorção estrutural que origina dipolos elétricos, os quais são capazes de mudar a sua orientação quando submetidos a um
campo elétrico. Estes movimentos são somados resultando na deformação do material [5]. Um
exemplo de polímero eletroativo que possui propriedades ferroelétricas é o PVDF (fluoreto de
polivinilideno) que é parcialmente cristalino, com uma fase amorfa inativa, e apresenta módulo
de Young na faixa entre 1 e 10GPa. A figura 2.7 mostra um EAP ferroelétrico antes e depois da
aplicação do campo elétrico [5]:

Figura 2.7: Amostra de EAP ferroelétrico isento do campo elétrico (esquerdo) e na presença
de campo elétrico (direita) [5].

2.1.2

EAPs dielétricos

Além dos polímeros ferroelétricos, alguns polímeros dielétricos na forma de compósitos eletrodo/polímero/eletrodo também apresentam deformações quando submetidos a um campo elétrico.
Quando uma diferença de potencial é aplicada sobre os eletrodos do material, estes são polarizados com cargas opostas. Esta polarização faz com que os eletrodos se atraiam (como prevê a
lei de Coulomb) comprimindo o material polimérico e que, por sua vez, responde expandindo
a sua área [8]. Este fenômeno em que os elastômeros dielétricos, submetidos à campos de alta
tensão, contraem-se na direção das linhas do campo elétrico e expandem-se perpendicularmente
em relação a elas, é chamado de Tensores de Maxwell (a figura 2.8 ilustra o fenômeno) [8, 5].
Neste sentido, a deformação é mais apreciável quando a fase polimérica é constituída por
17

2.1. EAPS ELÉTRICOS

Figura 2.8: Efeito observado em EAPs elétricos quando suas placas são polarizadas.
um material macio. Outro fator que influencia no nível de deformação do material é a constante
dielétrica. Quanto maior a constante dielétrica do material (i.e. quanto mais isolante for o
material), o nível de polarização se torna maior, uma vez que a fase polimérica praticamente
não conduz corrente elétrica, aumentando assim o nível de deformação [5]. A equação 2.4
mostra um modelo simplificado que representa o fenômeno, onde p é a derivada da pressão
efetiva exercida pelos eletrodos sobre um filme do elastômero em função da tensão elétrica V
[5].

p = r o E 2 = r o (V /d)2
onde r é a constante dielétrica do material,

o

(2.4)

a permissividade elétrica no vácuo, E o

campo elétrico, V a tensão elétrica aplicada e d a espessura do elastômero.
Para materiais isotrópicos, segundo Bar-Cohen observa-se uma deformação de até 40%.
Porém, no trabalho de Kornbluh et al. são apresentados alguns acrílicos e silicones pré-esticados
podem apresentar deformações superiores à 100% [5]. O motivo dessa mudança ainda não é totalmente conhecido, mas já se sabe que o pré-esticamento do polímero introduz uma anisotropia
que modifica o coeficiente elástico do material, o qual justifica, em partes, a mudança de comportamento do material [13] (ver figura 2.9). No mesmo trabalho é relatado problemas vinculado ao tipo de eletrodo, uma vez que eletrodos metálicos não conseguem acompanhar a deformação do material dielétrico. Para isso, os autores estudaram um eletrodo elástico baseado de
partículas de carbono (spray de carbono). Com o pré-esticamento, a relação analítica entre o
campo elétrico e a deformação do material se torna uma tarefa difícil, pois devem ser incluídos
no cálculo o comportamento não linear do material, grande deformações e condições de con-

18

2.2. EAPS IÔNICOS

torno anisotrópicas. Como o enfoque deste trabalho se concentra no estudo de um tipo de EAP
iônico que será apresentado nos capítulos seguintes, não foi realizado nenhum aprofundamento
matemático deste problema específico.

Figura 2.9: EAP dielétrico antes e depois da aplicação do campo elétrico [13].

2.1.3

Papéis Eletrostrictivos

No trabalho de Kim et al. [14], são apresentados polímeros na forma de papel, compostos
por várias partículas discretas, principalmente por fibras naturais que formam uma estrutura
em rede, que apresenta propriedades eletrostrictivas. A estes polímeros são colados, com adesivos, lâminas finas de prata em ambos os lados para compor os eletrodos, e quando estes são
polarizados, o material compósito é capaz de dobrar (ver figura 2.10). Este trabalho apresenta
resultados interessantes de desempenho em função da tensão, da freqüência e do tipo de adesivo.
Estudos indicam que a eletrostricção destes materiais está associada com forças eletrostáticas
e interações intermoleculares do adesivo. Várias aplicações, tais como dispositivos ativos para
absorção de som, auto-falantes flexíveis e dispositivos inteligentes de deformação controlada,
são propostos neste trabalho [14, 5].

2.2

EAPs Iônicos

Esta seção apresenta uma breve revisão sobre os polímeros eletroativos iônicos. O mecanismo
de deformação desta classe de EAPs é baseado na migração, ativada por campo elétrico, de
19

2.2. EAPS IÔNICOS

Figura 2.10: EAP dielétrico antes e depois da aplicação do campo elétrico [14].
grupos iônicos ou de cargas induzidas presentes na matriz polimérica. De modo geral, os íons
carregam moléculas de solvente (geralmente água) durante a migração, gerando uma diferença
de concentração. Como conseqüência, o lado mais concentrado expande e o menos, contrai
provocando a dobramento do material.
Diferente dos EAPs elétricos, os EAPs iônicos podem apresentar grandes deformações
e exigem baixas voltagens de ativação, em média 1 a 5 volts. Porém, como desvantagem funcional, estes materiais não conseguem gerar forças de grande magnitude, e sua deformação é
lenta devido ao tempo necessário para ocorrer a migração de cargas. O controle de posição da
deformação deste material é mais complicado em relação aos EAPs elétricos, uma vez que não
é trivial o controle preciso da migração dos íons dentro da matriz polimérica. Outro problema
da utilização deste material na construção de dispositivos é a necessidade de cuidados especiais
com a desidratação da fase polimérica, e ainda as restrições das condições de operação, porque
o desempenho destes materiais depende da quantidade de solvente.

2.2.1

Géis poliméricos iônicos

Os géis poliméricos podem ser utilizados para construir atuadores e dispositivos interessantes,
com obtenção de força e densidade de energia em níveis equiparados com os músculos naturais [15, 5]. Estes materiais (e.g. poliacrilonitrila) são geralmente ativados quimicamente, de
maneira que a densidade do material é modificado com o pH do meio [15].
Liu & Calvert mostram em seu trabalho [15] que estas reações químicas podem ser estimuladas eletricamente. Quando ativados, o eletrodo carregado negativamente atrai grupos
catiônicos, e o eletrodo carregado positivamente grupos aniônicos. Assim, a região em torno do
20

2.2. EAPS IÔNICOS

eletrodo negativo fica rica em cátions, forçando a migração dos íons H+ para o outro lado, i.e.,
rumo ao eletrodo positivo, deixando esta região mais ácida. De maneira análoga a este mecanismo, a região do eletrodo carregado positivamente fica rica em ânions fazendo com que os
íons OH- migrem para o lado oposto (em torno do eletrodo carregado negativamente), deixando
esta região mais alcalina (ver figura 2.11). Em conseqüência, o material se curva conforme o
cátodo fica mais alcalino e o ânodo mais ácido [15].

Figura 2.11: Mecanismo de migração de íons dentro da matriz polimérica do gel eletroativo
Por outro lado, como desvantagem desse material, a velocidade em que este material se
curva é relativamente baixa por causa do tempo necessário para a difusão dos íons pelo gel.
Conforme relatado em Liu & Calvert, um filme fino de poliacrilonitrila com área de 6cm x
6cm se contrai, reduzindo sua área para apenas 3cm x 3cm em um tempo de 20 minutos (ver
figura 2.12), o que pode ser considerado muito lento e o torna pouco atraente para construção
de dispositivos para aplicações em robótica. Além disso, ao induzir grandes deformações, os
eletrodos são drasticamente danificados levando à perda definitiva do material após 2 ou 3 ciclos
de ativação [15, 5].
Alguns géis não iônicos como, por exemplo, o álcool de polivinila com dimetil sulfonato,
ou PVC (cloreto de polivinila) misturado com alguns plastificantes, também podem sofrer deformações significativas quando imersos em um campo elétrico. O fenômeno pode ser atribuído
a injeção de cargas na matriz do gel e a um fluxo cargas induzidas solvatadas que geram uma
21

2.2. EAPS IÔNICOS

Figura 2.12: Contração de gel iônico a partir da alteração de pH estimulado eletricamente [15].
distribuição assimétrica ao gel [16, 5]. Hirai et al. apresentam resultados de estudo deste
material, onde uma amostra de 10mm x 3mm x 2mm apresentou deformações, em curvatura,
superiores a 90o em um tempo em torno de 60 milisegundos (figura 2.13) [16].

Figura 2.13: Amostra de gel não iônico desenvolvido por Hirai et al. deformando quando
inserindo em um campo elétrico

22

2.2. EAPS IÔNICOS

2.2.2

Compósitos de polímero iônico e metal

Compósitos de polímero iônico e metal (do inglês Ionic polymer-metal composites - IPMC) são
EAPs iônicos com a capacidade de dobrar quando submetidos a um campo elétrico. O campo
elétrico faz com que os cátions móveis presentes na estrutura polimérica migrem, carregando
assim moléculas de água, e gerando um gradiente de concentração de água. Conseqüentemente,
o lado com maior quantidade de água sofre uma expansão e o lado oposto, uma contração (ver
figura 2.14). A estrutura polimérica dos IPMC permite que cátions se movam em seu interior
devido a sítios que admitem cátions e grupos polares e rejeitam ânions e espécies apolares.
Além disso, os cátions são móveis na matriz polimérica em razão de seu raio, que é bem menor
comparado à rede carbônica do grupo aniônico. Este fenômeno pode ser observado em membranas de troca protônica, tais como o Nafion R , Flemion R e Aciplex R (figura 3.2).Esse trabalho
está focado justamente nesses compósitos, os IPMCs. O mecanismo de deformação dos IPMCs,
os métodos de preparo e construção de dispositivos, e os resultados e análises de caracterização
serão apresentados detalhadamente no capítulo 3.

Figura 2.14: Amostra de IPMC antes e depois da aplicação de um campo elétrico [5].

Propriedades do Nafion R
O estudo dessa dissertação está concentrada na análise de IPMC com base polimérica de Nafion R .
Este polímero é fabricado a partir de membranas de polímeros de troca iônica. O polímero
possui grupos perfluorados, semelhantes ao de Teflon R , que fornecem estabilidade química e
térmica ao material. A região onde os grupos perfluorados se unem com a cadeia polimérica
23

2.2. EAPS IÔNICOS

formam os sítios de trocas catiônicas. Portanto, o polímero é permeável a cátions e grupos
polares, e a mobilidade destes grupos é determinada pelo seu tamanho e propriedades elétricas.
Estes sítios praticamente rejeitam todos os grupos aniônicos e espécies apolares [17].
A membrana de Nafion R é composta por vários filmes finos deste polímero, normalmente
reforçados com Teflon R . Esta membrana é eficiente para separar grupos presentes em um eletrólito, permitindo que seja utilizada em uma ampla gama de aplicações. Em um processo típico,
esta membrana é colocada dentro um recipiente separando dois eletrólitos com componentes
diferentes. Como a membrana possui permeabilidade seletiva, somente os componentes mais
permeáveis, como cátions e espécies polares, são transferidos através da membrana sob influência de uma força motriz, tais como campo elétrico e diferença de concentração [17]. A figura
2.15 ilustra este processo.

Figura 2.15: Aplicação típica do Nafion R .
Uma das principais aplicações da membrana de Nafion R é na produção de cloro e soda
cáustica por eletrólise. Esta tecnologia apresenta várias vantagens, tais como quedas significativas dos custos de operação e redução de impactos ambientais, em relação aos métodos
antigos, os quais envolviam mercúrio. Outras aplicações da membrana de Nafion R incluem
sínteses eletromecânicas, regeneração de soluções ácida usadas, recuperação de íons metálicos,
e células de pilhas combustível [17].
24

2.2. EAPS IÔNICOS

2.2.3

Polímeros condutores

Outro tipo de material polimérico que apresenta características de eletroatividade e deformação
é um conjunto de polímeros denominados condutores. O mecanismo de deformação dos polímeros condutores é atribuído à inserção e expulsão de íons reversíveis durante o processo de
oxidação e redução [5, 18]. As reações de oxidação e redução que ocorrem nos eletrodos
induzem uma variação de volume considerável em função, principalmente, das trocas de íons
com um eletrólito. Os atuadores de polímeros condutores são constituídos de uma camada fina
de um eletrólito coberto, em ambas as faces, por eletrodos de polímeros condutores, tais como
polianilina, polipirrola ou polianilina dopada com ácido clorídrico. Quando uma diferença de
potencial é aplicada sobre os eletrodos, ocorrem processos de oxidação no anodo e redução no
catodo, e íons H+ migram do eletrólito para os eletrodos para o balanço de cargas. A adição
de íons na fase polimérica causa o seu inchamento, e analogamente, a retirada de íons, encolhimento. Como um lado sofre expansão e o outro, contração, o material compósito se curva.
Otero et al. mostram em seu trabalho que a espessura é um parâmetro que afeta drasticamente
no desempenho do material [5, 18]. Quanto menor a espessura do material, maior a velocidade
do movimento de deformação e menor a força produzida. Em Otero et al. [18], as deformações
de filmes finos atingiram velocidades com ciclos de deformação próximas de 40Hz, e densidade
de energia mecânica de 20J/cm3 (ver figura 2.16). A tensão de ativação destes materiais é de 1
a 5 volts.

Figura 2.16: Amostra de um EAP de polímero condutor antes e depois da aplicação de um
campo elétrico [5].

25

2.3. COMPARAÇÃO ENTRE EAPS ELÉTRICOS E IÔNICOS

2.3

Comparação entre EAPs elétricos e iônicos

Na construção de dispositivos de realização de movimento acionados por EAPs, a escolha do
tipo de polímero a ser adotado deve ser feita cuidadosamente. Devem ser observadas e analisadas as condições ambiente ao qual o polímero estará exposto, as magnitudes da força e de
deformação requeridas, e ainda os recursos energéticos disponíveis. A Tabela 2.1 apresenta
uma comparação entre EAPs elétricos, descrevendo as principais vantagens e desvantagens
associadas a cada tipo de material
Tabela 2.1: Vantagens e desvantagens de EAPs eletrônicos e iônicos [5].

26

2.4. APLICAÇÕES DE EAPS EM ROBÓTICA E BIOENGENHARIA

2.4

Aplicações de EAPs em robótica e bioengenharia

Desde a criação das primeiras imagens ligadas à robótica, ainda no campo da ficção, com nos
trabalhos de Karel Capek1 e Isaac Asimov2 , faz-se a idéia de robôs como sistemas pesados,
compostos de partes muito rígidas, construídos com materiais metálicos, que realizam movimentos pouco suaves, e produzindo muitos ruídos através de seus motores e engrenagens. Uma
possível explicação para essa idéia é que a maioria dos robôs, do imaginário histórico até as
realizações dos tempos atuais, é construída e/ou revestida por materiais metálicos, e seus movimentos são obtidos por motores e junções elétricas. Esse tipo de concepção dessas máquinas
limita seus movimentos e comprometem sua flexibilidade.
Os cientistas e engenheiros inspirados na biomimética buscaram constantemente a construção de robôs3 que se assemelham com os seres vivos, uma vez que os seres vivos passaram
por milhões de anos de evolução, sofrendo constante modificações em seus mecanismos, obtendo sempre uma melhor adaptação ao meio que habitam.
Atuadores baseados em motores elétricos e junções rotacionais, em dispositivos eletromecânicos, apresentam diversas desvantagens em certos tipos de aplicações, conforme discutido
na seção 1.1. Uma proposta para contonar essas limitações e desvantagens é a substituição de
atuadores baseados em motores elétricos por atuadores baseados em EAPs. Conforme visto
nas seções 2.1 e 2.2, dispositivos construídos com esses materiais, além de leves, silenciosos
e flexíveis, apresentam movimentos suaves. Estes movimentos podem ser observados mesmo
quando o material se encontra em pequenas dimensões, uma vez que depende apenas da polarização do material. Este fator permite a construção de atuadores de porte muito pequeno,
1 Autor

tcheco de teatro e novelas, escreveu um drama satírico, Robôs Universais Rossum - R.U.R., em 1921.
Foi a primeira vez que surgiu a palavra "robô" associada a máquinas autônomas (derivado da palavra tcheca "robota" que significa "trabalho forçado") na história.
2 Criador das leis da robótica (1942)
· 1a Lei da robótica: Um robô não pode ferir um ser humano ou, por omissão, permitir que um ser humano
sofra algum mal;
· 2a Lei da robótica: Um robô deve obedecer as ordens que lhe sejam dadas por seres humanos, exceto nos
casos em que tais ordens contrariem a Primeira Lei;
· 3a Lei da robótica: Um robô deve proteger sua própria existência desde que tal proteção não entre em
conflito com a Primeira e Segunda Leis.
3A

fica".

disciplina que aplicada conceitos de biomimética à robótica é chamada de "biônica" ou "robótica biomór-

27

2.4. APLICAÇÕES DE EAPS EM ROBÓTICA E BIOENGENHARIA

possibilitando obter ainda dispositivos compostos por múltiplos atuadores de pequeno porte, de
maneira semelhante à estrutura dos músculos naturais.
Outro fator decisivo na escolha de EAPs para construção de atuadores é seu consumo
energético, i.e., os níveis de tensão e corrente elétricas necessários para seu acionamento. No
caso dos EAPs elétricos, apesar dos altos níveis de tensão elétrica, a corrente elétrica que passa
pela fase polimérica é praticamente nula, resultando em baixo consumo energético. Já no caso
dos EAPs iônicos, apesar da baixa resistência elétrica da fase polimérica, estes exigem baixas
tensões de ativação para realizar grandes deformações.
Atuadores com essas características podem trazer várias vantagens e inovações para projetos em robótica. Um fator decisivo para a escolha de atuadores baseados de EAPs para aplicações em robótica, principalmente com inspiração biomimética, é a sua flexibilidade. Um
problema ainda com poucas soluções alternativas é a construção de plataformas robóticas com
os sistemas de locomoção e manipulação adaptados a terrenos irregulares. A maioria das
soluções para este problema é inspirada em seres vivos, porém, devido à construção baseada
de atuadores como motores elétricos, as plataformas atuais possuem muitas restrições ao tipo
de terreno em que irão se locomover por não possuírem grande flexibilidade em seus movimentos. Mesmo os mais adaptados, tais como os ilustrados em 2.17, 2.18 e 2.19 não apresentam
uma total adaptação a qualquer tipo de terreno explorado, além dos problemas vinculados à
disponibilidade de energia e das limitações de adaptação e de velocidade. Atuadores baseados
de EAPs podem tornar estas plataformas robóticas mais leves e flexíveis, somando mais graus
de liberdade aos mecanismos, além de permitir movimentos mais suaves.
Outra inovação que um atuador baseado em EAP pode favorecer é a miniaturização dos
dispositivos. Vários projetos acadêmicos, e também militares, buscam construir plataformas
robóticas miniaturizadas, que se assemelhem com insetos voadores para fins de vigilância, exploração de terrenos hostis e espionagem (figura 2.20). Para este projeto são necessários atuadores leves, para viabilizar o vôo e flexíveis, para viabilizar missões complexas que incluem o
vôo e questões vinculadas à manobrabilidade.
Atuadores baseados em EAP também despertam o interesse para aplicações voltadas à
bioengenharia, na construção de próteses e órgãos artificiais. Nesse tipo de utilização do mate28

2.4. APLICAÇÕES DE EAPS EM ROBÓTICA E BIOENGENHARIA

Figura 2.17:
Foto do robô octópode Dante desenvolvido pela NASA (National Aeronautics and Space Administration) em conjunto com a Carnegie Mellon University e o observatório de vulcões do Alaska, para inspeções vulcânicas
(fonte:ipp.nasa.gov/innovation/Innovation25/DanteII.html).

Figura 2.18:
Robô quadrúpede Aibo, inspirado num cão, com capacidade de locomoção autônoma e de interagir com o usuário respondendo com gestos e sons [19].
(fonte:www.sony.jp/products/Consumer/aibo)
rial, é preciso estudar a biocompatibilidade da prótese com o corpo do indivíduo, e também é
importante avaliar questões vinculadas à estética e eficiência. Para o caso específico de membros artificiais, quando acionados por motores elétricos e pistões, têm a sua estética desfavorecida, pois não são capazes de realizar movimentos suficientemente suaves e parecidos com os
membros naturais, além do peso excessivo devido à massa dos motores, junções e engrenagens, o que pode acarretar desconforto e problemas para o implantado. Para o caso específico
dos órgãos artificiais, os EAPs são materiais elásticos, que permitem a construção de órgãos
29

2.4. APLICAÇÕES DE EAPS EM ROBÓTICA E BIOENGENHARIA

Figura 2.19: Primeiro robô humanóide desenvolvido pela Honda em 2001, ASIMO,
que possui capacidade de locomoção bípede, visão, olfato, tato e voz [19].
(fonte:world.honda.com/ASIMO)

Figura 2.20: Biomimetismo de libélula. O objetivo desses robôs é realizar movimentos semelhantes à libélulas para fins de vigilância e espionagem
artificiais macios e flexíveis.
Outra inovação da bioengenharia que busca atuadores com as propriedades dos EAPs é
a construção de dispositivos para procedimentos cirúrgicos. No caso específico dos procedimentos de incisão, a falta de maleabilidade dos instrumentos cirúrgicos é um fator crítico,
principalmente quando a incisão tem como objetivo local de acesso mais difícil dentro do corpo
humano. Como conseqüência dessa falta de maleabilidade dos instrumentos de cirurgia atuais,
o corte da incisão necessita ser maior para permitir o acesso ao local de intervenção cirúrgica,
levando a riscos maiores e tempo maior para recuperação. A figura 2.21 mostra o projeto de
um instrumento de cirurgia baseado de EAPs: MEMICA (MEchanical MIrroring using Controlled stiffness and Actuators). O equipamento pode ser manuseado a distância, de modo que
o médico cirurgião fique fisicamente distante do paciente. Em um dos terminais encontra-se o
médico cirurgião que utiliza luvas equipadas com vários sensores de movimento (inclusive sensores de EAPs) e telas conectadas às câmeras focando a área de incisão no paciente. No outro

30

2.4. APLICAÇÕES DE EAPS EM ROBÓTICA E BIOENGENHARIA

terminal onde o paciente está situado, encontram-se câmeras e braços robóticos à base de aço
cirúrgico e EAPs para realizar a cirurgia. Assim, os atuadores robóticos se movem de acordo
com os movimentos detectados pela luva em que o médico utiliza, permitindo cirurgias on-line.

Figura 2.21: Um dispositivo de cirurgia on-line, MEMICA. Fonte: http://eap.jpl.nasa.gov

31

Capítulo 3
Compósitos de polímero iônico e metal
Esta dissertação está focada no estudo sobre métodos de preparação e caracterização de um
tipo específico de polímeros eletroativos, os compósitos de polímero iônico e metal, os IPMCs
(do inglês Ionomeric Polymer-Metal Composites). Estes são materiais inovadores pertencentes
à classe dos EAPs iônicos. Os IPMCs destacam-se, entre as alternativas para aplicação na
construção de dispositivos de produção de movimento e força, em razão de certas propriedades
e características do seu comportamento eletromecânico. Esses compósitos apresentam resposta
quando submetidos a baixos níveis de estímulos elétricos, são materiais com massa específica
relativamente baixa, obtêm relação força-tensão elevada (considerando-se os EAPs iônicos),
funciona em meio tanto hidratado quanto seco, têm um mecanismo de dobramento eficiente, e
apresentam um tempo de resposta rápido.
A escolha por IPMCs como material a ser estudado se deve, principalmente à suas características funcionais, particularmente adequadas às aplicações baseadas no biomimetismo,
tais como em bioengenharia voltada a próteses ou dispositivos robóticos. Uma facilidade, também levada em consideração nessa escolha do material, é a farta disponibilidade de referências
bibliográficas e de reagentes para a síntese do material. Considerando a hipótese de desenvolvimento de um implante biomecânico, é possível obter, a partir de um IPMC, dispositivos
leves e flexíveis que facilitam a adaptação do organismo vivo à prótese. Além disso, como os
IPMCs são ativados com baixos níveis de tensões elétricas (conforme descrito na Seção 2.2),
diminuem-se os riscos de problemas com possíveis choques elétricos no corpo do eventual pa32

3.1. MECANISMO DE FUNCIONAMENTO DOS IPMC

ciente, e facilita-se a construção do dispositivo.
Para as aplicações em robótica, outra característica dos dispositivos construídos a partir
de IPMCs os torna uma opção muito interessante. Trata-se da possibilidade de miniaturização desses dispositivos atuadores, que permitem pensar em várias aplicações na robótica, tais
como mini robôs de monitoramento e espionagem. A baixa massa específica do material e os
movimentos suaves podem viabilizar projetos de robôs inspirados em pequenos insetos, nos
quais seriam implantadas micro-câmeras para captação de imagens de monitoramento. Ainda
no contexto dessa análise de adequação do material, o fato de realizar uma plataforma robótica
leve abre a possibilidade de implantação de mecanismos semelhantes às asas de insetos para a
construção de pequenos robôs voadores1 (figura 3.1).

Figura 3.1: Mosca robótica, desenvolvida pela Universidade de Harvard.

3.1

Mecanismo de funcionamento dos IPMC

Os IPMCs são basicamente compostos por uma estrutura de filmes em camadas, formando
geralmente uma fita. A camada central consiste de uma membrana fina de um polímero iônico
(usualmente perfluoretilenossulfonatos), com espessuras da ordem de 200µm. Sobre essa camada central, em suas faces, estão duas camadas metálicas com espessura entre 5 e 10µm.
Essas camadas têm a função de eletrodos de acionamento do IPMC.
1 Um

grupo de pesquisa conseguiu construir um robô voador de 60mg e envergadura de 3cm, ilustrado na figura
3.1. Mas este protótipo ainda não realiza manobras devido a falta de maleabilidade dos atuadores. A substituição
destes atuadores por outros baseados de IPMC poderiam permitir estas manobras devido a flexibilidade do material,
além de extremamente leves.

33

3.1. MECANISMO DE FUNCIONAMENTO DOS IPMC

Para a camada polimérica, utilizam-se membranas de trocas protônicas (Próton Exchange
Membrane - PEM). Dentre os materiais adequados para essa composição, encontram-se o
Nafion R (da DuPont), Flemion R (da Asahi Glass) ou Aciplex R (da Asahi Chemical). As fórmulas químicas estruturais de cada um desses materiais são mostradas na figura 3.2.

Figura 3.2: Fórmulas estruturais dos polímeros (a) Nafion R , (b) Flemion R e (c) Aciplex R [5]
Para compor os eletrodos, através de processos de deposição, devem ser escolhidos materiais metálicos que suportem muitos ciclos de dobramento, para que o dispositivo possa ter
vida útil compatível com sua aplicação. Como pode ser verificados em diversos trabalhos sobre
construção de dispositivos à base de IPMC [5, 20, 21, 22, 10, 23, 24, 25], há uma preferência na
deposição de metais nobres, tais como ouro ou platina, que apresentam características atraentes
em termos de condutividade, maleabilidade e resistência à oxidação.
Quando uma diferença de potencial é aplicada nos eletrodos de uma amostra em fita de
IPMC hidratado, esses eletrodos metálicos são polarizados com cargas opostas ativando um
campo elétrico sobre a camada central polimérica. A deformação mecânica do dispositivo de
IPMC acontece em razão de dois fenômenos diferentes. Um dos mecanismos de deformação se
deve ao movimento de cátions livres em direção ao cátodo. As membranas de trocas protônicas
são polímeros iônicos com estrutura composta por cátions (geralmente NH4

+,

Na+ , K+ ou

Li+ ), e esses cátions possuem raios muito pequenos quando comparados com as largas cadeias
carbônicas aniônicas. Por causa dessa diferença significativa de dimensões, os cátions apresentam uma propriedade de mobilidade, enquanto que os grupos aniônicos são fixos dentro da
matriz polimérica. Além disso, nas regiões onde os grupos perfluorados se unem com a cadeia
carbônica nessas estruturas químicas, existem sítios de trocas catiônicas, conforme descrito na
seção 2.2.2. Estes sítios tornam o material polimérico permeável à cátions e estruturas polares,
tais como moléculas de água. Quando ativado, i. e., quando é submetido a uma tensão elétrica, o
eletrodo carregado negativamente (cátodo) atrai cátions, conforme descreve a Lei de Coulomb.
34

3.2. CAPACIDADE DE SENSORIAMENTO DO IPMC

Os cátions móveis migram para o cátodo carregando moléculas de água solvatadas, criando
assim um gradiente de concentração de água. Desta maneira, o cátodo que possui maior concentração de água sofre uma expansão, enquanto o ânodo, que passa a ter menor concentração
de água, sofre uma contração, resultando no dobramento do material. Bar-Cohen relata em seu
trabalho a ocorrência de outro fenômeno, de uma difusão reversa (Back diffusion) das moléculas de água, devido à acomodação de cargas, que é responsável pela subseqüente relaxação da
membrana [5].
O segundo fenômeno que causa a deformação do IPMC consiste do aparecimento de uma
força elétrica entre as estruturas dentadas dos eletrodos carregados e os grupos aniônicos fixos
da cadeia polimérica do Nafion R . De acordo com Oguro e outras referências [23, 5, 25, 12, 20,
21], dado que a região superficial do polímero (Nafion R ) possui uma estrutura porosa, quando
os íons metálicos dispersados são reduzidos à forma metálica, são formadas estruturas dentadas
na interface polímero-eletrodo. Quando os eletrodos estão carregados, ocorre uma interação
elétrica entre os grupos aniônicos da cadeia polimérica (que são fixos) e as estruturas dentadas
dos eletrodos, de modo que, na placa carregada negativamente, os grupos aniônicos e os dentes
sofrem repulsão, enquanto que na placa carregada positivamente ocorre atração. Este efeito
se soma ao primeiro mecanismo amplificando o efeito de deformação [20, 21]. A Figura 3.3
ilustra esses fenômenos

3.2

Capacidade de sensoriamento do IPMC

Os IPMC apresentam também outra aplicação funcional, eles podem ser utilizados como sensor
de deformação. Um esforço mecânico sobre uma fita de IPMC gera uma pequena diferença
de potencial nos eletrodos. Esse sinal elétrico pode ser utilizado para determinar o grau de
deformação imposto sobre a membrana.
Essa propriedade é observada porque, quando se aplica um esforço mecânico sobre uma
amostra de IPMC hidratado, ocorre uma mudança na distribuição de cargas em relação ao eixo
neutro da membrana. A expansão de um lado e contração de outro deslocam os cátions móveis
para o lado de menor densidade de cargas. Assim, um lado ficará com carência de cargas
35

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

Figura 3.3: Mecanismos de deformação IPMC
positivas e o outro com excesso delas, gerando um momento dipolo e, conseqüentemente, uma
diferença de potencial que pode ser medida nos eletrodos [12, 5].
Para constatação desse fenômeno, foram realizados somente alguns testes simplificados,
sem o objetivo de caracterizar os dispositivos para sua utilização como sensor. Esses mostraram
que esforços mecânicos aleatórios sobre o material produziram tensões entre 3 e 5mV. Durante
a leitura de sinais, foi observada a presença de muitos ruídos. A partir dessas observações, é
possível afirmar que projetos nessa direção devem incluir a elaboração de circuitos para filtrar
os ruídos e para amplificar os sinais medidos para um nível voltado a uma aplicação específica.
Além disso, um procedimento de calibração dos sensores deverá ser estabelecido utilizando
esforços mecânicos de deformação com magnitude controlada.

3.3

Metodologias para preparação de IPMC

Neste projeto de pesquisa foram testados dois métodos de preparação de amostras de IPMC:
o método proposto por Oguro [23] e método proposto por Preethichandra [25]. Ambos os
36

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

métodos utilizam Nafion R como fase polimérica. Além disso, os dois métodos baseiam-se na
migração de íons adsorvidos pela membrana para a superfície, seguida de redução, para obter
os eletrodos de acionamento dos dispositivos. Nesse processo, entretanto, a quantidade de
platina depositada não é suficiente para formar bons eletrodos, fazendo-se necessário depositar
mais uma camada de metal a partir da redução de íons presente na solução. Nessa parte dos
procedimentos, aparece uma distinção dos métodos. No método de Oguro deposita-se mais
uma camada de platina, enquanto que no método de Preethichandra deposita-se uma camada de
prata.
Para analisar e comparar os métodos aqui apresentados, foram realizadas imagens de
microscopia eletrônica de varredura dos eletrodos formados. A comparação entre o desempenho
eletromecânico dos dois métodos é apresentada no próximo capítulo, na seção 4.1.3.

3.3.1

Primeiro método de preparação

No primeiro método utilizado, proposto por Oguro [23], os íons adsorvidos pela membrana são
reduzidos pelo emprego de um agente redutor forte, compondo a primeira camada metálica dos
eletrodos. Em seguida, com o objetivo de melhorar a condutividade e as propriedades mecânicas
dos eletrodos, deposita-se mais uma camada de platina. A membrana é imersa em uma solução
que contem íons de platina que, por sua vez, aderem aos núcleos de platina depositados na
primeira redução. Os íons aderidos são reduzidos pelo emprego de um agente redutor mais
fraco.
Os equipamentos utilizados para a realização da obtenção do IPMC pelo método de
Oguro são:
· Cleaner ultra-sônico;
· Agitador termostatizado (Fisaton);
· Lixa de 800 mesh (Norton)
· Vidraçaria (Beckers, pipetas de precisão, balões volumétricos, provetas, baquetes e pinças);
37

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

Os reagentes necessários para a realização desse método são:
· Base polimérica: 30cm2 de Nafion 117;
· HCl - ácido clorídrico 0,1N e 2N (preparada a partir de HCl 37%);
· Pt(NH3 )4 Cl2 - cloreto de amino platina com 2mg de Pt/cm2 ;
· NH4 OH - hidróxido de amônio diluído 5%;
· NaBH4 - borohidreto de sódio diluído5%;
· N2 H4 - hidrazina 20%;
· NH2 OH-HCl - cloridrato de hidroxilamina diluído 5%1 ;
· água destilada.
Este método [23] descreve quatro passos básicos para a preparação de fitas de IPMC. A
primeira etapa é a preparação da membrana de Nafion R . Nessa etapa, após cortar a membrana
nas dimensões desejadas para a aplicação em robótica, esta é lixada com o objetivo de aumentar
a superfície de contato e facilitar a adsorção de íons metálicos que formarão os eletrodos após a
sua redução. O lixamento da membrana também tem como objetivo aumentar a quantidade de
estruturas dentadas, fator que influencia na deformação do IPMC conforme discutido na seção
3.1. A membrana é lixada manualmente com uma lixa de 800 mesh em sentido unidirecional2 .
Após o lixar a membrana é possível observar que a superfície fica mais fosca. Ainda nessa etapa,
a membrana é lavada com água destilada no cleaner ultra-sônico por 20 minutos e fervida com
ácido clorídrico 2N para a remoção de impurezas durante 30 minutos. Devido a volatilidade do
HCl, é recomendado que este seja fervido dentro de uma capela e com uma baquete dentro do
recipiente para evitar respingos de bolhas.
Na etapa seguinte, a membrana preparada é mergulhada em uma solução de sal de complexo de amino platina (Pt(NH3 )4 Cl2 ou de Pt(NH3 )6 Cl4 ) que contenha 2 miligramas de platina
1 Todos

os reagentes utilizados são p.a. (pró análise), merc
método de Oguro [23] é sugerido que o aumento da superfície seja feito utilizando jato de areia ou lixa.
Quanto à lixa, não existe uma especificação da granulometria. Testes com outras granulometrias são sugeridos.
2 No

38

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

por mililitro de solução. O objetivo é fazer que íons de Pt2+ sejam adsorvidos pela membrana.
O autor recomenda que a solução contenha uma proporção de 3mg de platina por cm2 de membrana. Logo, para uma membrana de 30 cm2 , são necessários 45 ml de solução de complexo de
amino platina (utilizamos o Pt(NH3 )4 Cl2 ) e 1 ml de NH4 OH à 5% para neutralização do meio.
A solução de Pt(NH3 )4 Cl2 pode ser substituída por uma solução complexo de amino ouro para
a deposição de eletrodos de ouro. A adsorção deve ocorrer em temperatura ambiente durante
uma noite (no mínimo 3 horas). Nesta etapa a membrana deve ser acomodada de maneira que
a adsorção seja mais homogênea possível. É possível perceber um leve inchaço da membrana
após uma noite de adsorção.
No terceiro passo, faz-se a deposição da primeira camada de platina (redução primária).
Nessa etapa, a membrana encharcada de íons de Pt2+ é enxaguada com água destilada e, em
seguida, mergulhada em 180ml de água à 40 C1 sob agitação. Imediatamente, 2 ml de um
agente redutor forte, como uma solução de borohidreto de sódio (NaBH4 5%), é adicionada de
30 em 30 minutos por 7 vezes. A cada adição, a temperatura do sistema deve ser ligeiramente
elevada até atingir 60 C. Então, adiciona-se 20ml da solução de agente redutor, mantendo a agitação durante 90 minutos à 60 C. Gradativamente, os íons adsorvidos pela membrana difundem
para a superfície onde, ao entrar em contato com o agente redutor, são reduzidos a Pt metálico
conforme ilustra a figura 3.4. As reações envolvidas neste processo estão listadas na tabela 3.1.
Nesta etapa, devido à produção de gás hidrogênio, os experimentos devem ser realizados em
lugar arejado ou dentro de uma capela para eliminar o risco de explosões. Imediatamente após a
primeira adição de agente redutor, é possível observar a formação de pequenas partículas negras
de platina sobre a superfície da membrana. A figura 3.5 mostra a membrana antes e depois da
redução primária.
No entanto, a platina depositada nessa etapa (em torno de 0,9mg/cm2 , segundo Oguro)
não chega a formar eletrodos que apresentam desempenho satisfatório (em torno de 2,0mg/cm2
é o ideal). Então, na última etapa, é realizado a redução secundária que consiste no crescimento
dos núcleos de platina formados na etapa anterior. Na redução primária, os íons adsorvidos pela
1O

agitador termostatizado utilizado nestes experimento possui um potenciômetro para regular a temperatura.
Porém o equipamento não possui um sistema de controle de temperatura. Logo, a temperatura foi monitorada com
o emprego de um termômetro de coluna de mercúrio e o ajuste foi realizado manualmente.

39

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

Figura 3.4: Ilustração da preparação de amostras de IPMC [5]
Tabela 3.1: Redução primária do eletrodos de Platina no Nafion R [26]

Figura 3.5: Fotos da membrana antes e depois da deposição
membrana migram para a superfície devido ao aquecimento e a agitação. Estes são reduzidos na
região superficial da membrana, assim que entravam em contato com o agente redutor presente
na solução. Como o objetivo é formar eletrodos, os íons devem ser reduzidos rapidamente,
antes que desprendam da membrana, o que justifica utilizar agentes redutores fortes. Já nesta
etapa de redução secundária, os íons que serão reduzidos se encontram externamente à membrana. Estes devem aderir aos núcleos de platina depositados na redução primária e neste local
40

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

sofrerem redução. Logo, a aplicação de agentes redutores fortes não é viável, uma vez que estes
transformariam os íons antes que se aderissem aos núcleos, justificando assim, a substituição
por agentes redutores mais fracos.
Para a membrana de 30 cm2 (60 cm2 ambos lados), são necessários 120 mg de Pt. Logo,
após enxaguar a membrana com água destilada, esta é mergulhada em 240 ml de uma solução
de (Pt(NH3 )4 Cl2 ) contendo 120 mg de Pt mais 5 ml de NH4 OH à 5% (para neutralização) sob
agitação e temperatura em torno de 60 C. Um agente redutor mais fraco que o borohidreto de
sódio, usualmente uma mistura de 6 ml de cloridrato de hidroxilamina (NH2 OH-HCl) 5% com
3 ml de hidrazina (N2 H4 ) 20%, é adicionado de 30 em 30 minutos, durante 4 horas. Nessa etapa
deve-se tomar cuidado com a hidrazina, uma vez que se trata de uma substância muito tóxica.
É recomendado que esta etapa também seja realizada dentro de uma capela para eliminação de
gases tóxicos da hidrazina e do hidrogênio produzido, assim diminuindo o risco de intoxicação
e explosão. Ao final dessa etapa é possível observar a deposição de eletrodos com coloração
cinza metálica.
Por fim, a membrana é enxaguada com água destilada e fervida em uma solução de ácido
clorídrico 0,1N para a remoção de cátions de amônio. Após isso, os íons H+ do compósito
podem ser trocados por outras espécies de cátions mergulhando a membrana em soluções salinas de cloretos com o cátion desejado. O grupo de pesquisa liderado por Nemat-Nasser [27]
realizou testes de desempenho com vários tipos de IPMC com cátions diferentes e observaram
experimentalmente que o desempenho do IPMC é melhor quando os íons H+ são substituídos
por K+ . Assim, após enxaguar a membrana com água destilada, a amostra foi imersa em uma
solução de cloreto de potássio (KCl) 0,5M por uma noite para garantir a troca iônica.
O custo para a síntese de uma amostra de 30cm2 ficou estipulado em torno de 70 reais.

Análise microscópica
A figura 3.6 mostra uma imagem de MEV da interface eletrodo-polímero da amostra obtida
pelo método de Oguro.
A microscopia eletrônica de varredura (MEV) é uma técnica baseada na detecção de um
41

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

Figura 3.6: MEV da interface eletrodo-polímero do IPMC obtido pelo método de Oguro
feixe eletrônico que interage com a amostra, e se encontra na forma de um anteparo. O feixe
de elétrons é emitido a partir de um filamento de tungstênio, é colimado por um campo elétrico
forte, e atinge a amostra. Os elétrons sofrem interações elétricas com os elementos presentes
no anteparo, e um sensor detecta os elétrons refletidos a partir destas interações, constituindo a
imagem. Quanto maior o número atômico do elemento, o feixe de elétrons é mais fortemente
repelido, constituindo as partes mais claras da imagem. Por essa razão, o contraste entre a fase
metálica dos eletrodos e a fase polimérica fica bem nítido, uma vez que o número atômico da
platina é bem maior que os elementos presentes na cadeia carbônica. A fase mais clara da foto
representa o eletrodo de platina que se apresenta bem consistente com espessura entre 10 e
12µm. Pela imagem é possível observar algumas partículas e lóbulos dentro da fase polimérica.
A partir de uma análise preliminar, especula-se que as partículas e os lóbulos são defeitos que
ocorreram durante o corte da amostra, tais como rebarbas e migalhas de restos de metal. No
entanto, foi dada prioridade para avaliar a espessura e qualidade de deposição dos eletrodos, e
somente em trabalhos futuros, serão realizadas outras análises para obter mais detalhes sobre
estas formações e a influência destas na eletromecânica do material. Como proposta de análises
futuras, as imagens de MEV devem ser novamente obtidas, porém sobre outros ângulos de
captura. Como a MEV permite obter imagens através de elementos condutores (através dos
eletrodos), caso estas rebarbas e partículas não sejam defeitos de cortes, e sim, resultados de
deposições metálicas ou sais de platina formadas na fase polimérica, estes poderão ser vistos
42

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

sobre outros ângulos varredura também.

3.3.2

Segundo método de preparação

Na obtenção de amostras de IPMC pelo método de Oguro foram encontradas algumas dificuldades, sendo a principal delas, os riscos à saúde durante o manuseio da hidrazina. Este reagente,
que é usado durante a redução secundária da platina (agente redutor), é uma substância de toxidade extrema e perigosa, podendo causar queimaduras na pele e intoxicações por inalação e
contato. Sendo assim, foi adotado também um outro método, proposto por Preethichandra [25].
Neste método, o aumento da massa dos eletrodos, na redução secundária, ocorre a partir da
redução de íons de prata. Este método desperta o interesse para sua aplicação na produção de
dispositivos de IPMC, pois a prata, apesar de sofrer oxidação com mais facilidade que a platina,
é significativamente mais barata e a sua redução envolve reagentes menos tóxicos.
Os equipamentos utilizados para a realização da obtenção do IPMC pelo método de
Preethichandra são:
· Cleaner ultra-sônico;
· Agitador termostatizado (Fisaton);
· Lixa de 800 mesh (Norton)
· Vidraçaria (Beckers, pipetas de precisão, balões volumétricos, provetas, baquetes e pinças);
Os reagentes necessários para a realização desse método são:
· Base polimérica: 30cm2 de Nafion 117;
· HCl - ácido clorídrico 0,1N e 2N (preparada a partir de HCl 37%);
· Pt(NH3 )4 Cl2 - cloreto de amino platina com 2mg de Pt/cm2 ;
· NH4 OH - hidróxido de amônio 1N e diluído 5%;
· NaBH4 - borohidreto de sódio diluído5%;
43

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

· AgNO3 - Nitrato de prata 1N;
· NaOH - hidróxido de sódio (0,5N);
· C6 H12 O6 - glicose 0,5 M1 ;
· água destilada.
Este método segue os mesmo três primeiros passos do método proposto por Oguro,
modificando-se apenas a etapa de aumento de massa dos eletrodos. Nesta etapa, em vez de
aumentar a massa dos eletrodos depositando mais platina, deposita-se uma camada de prata.
Para isso, prepara-se uma solução de nitrato de prata 1N, hidróxido de amônio 1N e hidróxido
de sódio 0,5 N na razão volumétrica de AgNO3 (1N): NH4 OH (1N) : NaOH (0,5N) = 1:2:1,22 ,
sob agitação à 60o C. Após a mistura destes componentes, imediatamente é formada um sedimento marrom escuro que é resultado da formação do complexo de hidróxido de amino prata.
Apesar de não causar queimaduras ou danos graves à saúde, deve-se tomar cuidado com o
manuseio do nitrato de prata e o óxido de prata, pois, em contato com a pele, podem causar
manchas e irritações. Para uma membrana de 30cm2 foi preparado 200ml da mistura e 50ml da
solução de glicose (C6 H12 O6 ).
Em seguida, interrompe-se a agitação e a membrana pós redução primária é imersa na
solução mantendo a temperatura entre 50o C e 60o C, e em seguida, faz-se a adição da solução
de glicose 0,5 M. A glicose deve ser adicionada aos poucos (em torno de 2 ml de 60 em 60
segundos) para permitir obter a aderências dos íons de prata nos centros de nucleação e, neste
local, reduzidos à forma metálica. Durante a adição de glicose, a solução modifica a sua coloração para marrom claro, que é resultado da formação de partículas de prata. Nesta etapa, é
possível observar a olho nu a formação da fase de prata nos eletrodos, conforme previsto no
método proposto. A glicose deve ser adicionada até que não observe mais o crescimento da
prata no eletrodo, ou mudanças na cor da solução. As reações que ocorreram nesta etapa estão
apresentados na tabela 3.2.
O custo para a síntese de uma amostra de 30cm2 ficou estipulado em torno de 15 reais.
1 Todos

os reagentes utilizados são p.a. (pró análise), merc
ao manuseio do hidróxido de amônio em temperaturas ligeiramente elevadas, recomenda-se que esta
etapa seja realizada dentro de capela, devido o desprendimento do gás de amônia
2 Devido

44

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

Tabela 3.2: Equações envolvidas na redução secundária durante o preparo dos eletrodos pelo
método de Preethichandra [25]

Análise microscópica
A figura 3.7 mostra uma imagem de MEV da interface eletrodo-polímero da amostra obtida
pelo método de Preethichandra.

Figura 3.7: MEV da interface eletrodo-polímero do IPMC obtido pelo método de Preethichandra
A fase mais clara mostrada na imagem da figura 3.7 refere-se à camada de prata e platina
formada na interface com o polímero. Ao longo da superfície do eletrodo formado, identificamse várias trincas. Estas são resultados da oxidação da prata, que é facilmente oxidada quando
exposta ao oxigênio do ar. Como produto da oxidação, forma-se o óxido de prata (Ag2 O(s) )
que, diferente da fase metálica, apresenta características de fragilidade. Assim, durante as
deformações do IPMC, a fase composta por óxido de prata não resiste ao esforço mecânico
levando a ruptura e, conseqüentemente, a formação das trincas. A platina, diferente da prata,
é resistente à oxidação e, em conseqüência disso, não é observado a formação de trincas em
45

3.3. METODOLOGIAS PARA PREPARAÇÃO DE IPMC

eletrodos de platina, conforme é mostrado na figura 3.6.
Enquanto a espessura dos eletrodos formados pelo método de Oguro encontram-se em
torno de 12µm, a espessura dos eletrodos formados pelo método de Preethichandra está em
torno de 8µm. Essa diminuição da massa dos eletrodos resulta em perdas de resistência mecânica.
Em uma análise preliminar, imagina-se que o motivo dessa perda de massa esteja vinculado ao
tempo utilizado para realizar a redução secundária. Pelo método de Oguro, a redução secundária
ocorre ao longo de 4 a 5 horas, com a adição de pequenas quantidades de agente redutor fraco,
de 30 em 30 minutos. Com isso, os íons metálicos têm tempo para aderir aos centros de nucleação, e neste local, serem reduzidos. Este processo é repetido até que todos os íons de platina
presentes na solução sejam consumidos. Já no método de Preethichandra, a redução secundária
é mais rápida e dura em torno de 30 minutos. Isso sugere que não haja tempo hábil para que os
íons alcancem sua aderência aos centros de nucleação, e promovam um aumento significativo
de massa.
Em trabalhos futuros, será interessante realizar experimentos de síntese modificando sistematicamente o tempo de duração da redução secundária. Estes experimentos terão como
objetivo verificar se o tempo de exposição à solução de hidróxido de amino prata e a glicose influenciam na espessura dos eletrodos, e se a variação da espessura influencia na eletromecânica
do material.

46

Capítulo 4
Experimentos elétricos com os IPMCs
Este capítulo descreve os experimentos realizados para determinar características eletromecânicas das amostras de IPMC preparadas. Inicialmente, são apresentados experimentos para
analisar a dinâmica do movimento dos dispositivos construídos com o material com o objetivo de determinar parâmetros de controle e fatores que influenciam na dinâmica das amostras.
Também são apresentados experimentos de caracterização elétrica de polímeros condutores:
técnicas de medida DC e AC, para investigar os mecanismos de transporte de cargas, os quais
são responsáveis pela deformação do IPMC. São apresentadas ainda análises preliminares e
conclusões parciais sobre a determinação destes parâmetros.

4.1

Testes de deformação

Nestes experimentos, amostras de IPMC preparadas por procedimentos de síntese diferentes,
são submetidas às mesmas condições elétricas para fazer uma comparação entre seus desempenhos eletromecânicos. O desempenho eletromecânico das amostras de IPMC é determinado
a partir dos raios de curvatura e velocidades de deformação, que são fatores muito relevantes
para aplicações em robótica. As comparações são também utilizadas para identificar fatores
relacionados com os procedimentos de síntese que influenciam no desempenho das amostras.
Futuramente estes resultados serão utilizados para elaborar novos procedimentos de síntese que
resultem em IPMCs com propriedades eletromecânicas mais adequadas às aplicações de inte47

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

resse.

4.1.1

Procedimento experimental (Setup)

Gerador de sinais
Os sinais de tensão elétrica que são aplicados nos eletrodos das amostras de IPMC são gerados
por um sistema de geração e aquisição de sinais, com conexão USB, da National Instruments:
a placa de aquisição e transmissão de sinais NI-6009. Este sistema possui terminais analógicos
e digitais para geração e aquisição de sinais, e tem interface com o ambiente de programação
do Labview, que permite a elaboração e simulação de circuitos virtuais. Estes circuitos são
elaborados a partir de blocos, que realizam operações lógicas ou contém instrumentos virtuais,
compondo uma ferramenta que oferece uma interface simples ao usuário (figura 4.1). O mesmo
sinal produzido nas simulações pelos circuitos virtuais, pode ser fisicamente reproduzido nos
terminais do NI-6009. A utilização deste recurso permite que vários tipos de circuitos com
parâmetros diferentes, como tensão, corrente e freqüência, sejam construídos modificando apenas a programação, o software, sem a necessidade de alterações no circuito físico, o hardware.
Com isso, os experimentos foram realizados mais rapidamente, uma vez que não ocorreram
atrasos relacionados à construção do hardware e a problemas vinculados com a identificação de
componentes com mal funcionamento e mal contato.

Figura 4.1: Sistema de aquisição e geração de sinais NI-6009 da National Instruments e ambiente de programação Labview
48

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

Circuito seguidor de tensão
Aplicou-se uma uma diferença de potencial de 2 volts sobre os eletrodos do IPMC e os valores
de tensão elétrica, sobre os eletrodos, foram monitoradas. Ao conectar a amostra de IPMC
ao circuito, foram observadas grandes quedas de tensão sobre os eletrodos e, por outro lado,
a membrana não apresentou grandes deformações. Como a deformação dos IPMCs depende
do nível de polarização, as causas dessas quedas foram investigadas. Na análise, foi verificado
que isso ocorre devido à baixa impedância do IPMC. Dado um circuito elétrico simples com
gerador e resistência elétrica, ao conectar outra resistência em série, a tensão aplicada sobre
cada resistência é dividida proporcionalmente aos seus valores nominais. Logo, ao conectar o
IPMC que apresenta uma pequena resistência, somente uma pequena tensão será aplicada sobre
esta, justificando as quedas de tensão.
Para evitar estas quedas de tensão sobre o IPMC, foi conectado, entre a membrana e o
gerador, um circuito seguidor de tensão (figura 4.2), também chamado de buffer. Estes circuitos
são caracterizados por possuírem um meio de isolar o sinal de entrada de uma carga, neste caso o
IPMC, utilizando um estágio de ganho unitário sem inversão de fase ou inversão de polaridade,
e agindo como um circuito ideal de impedância de entrada muito alta e impedância de saída
baixa [28]. O circuito proposto foi construído a partir de amplificadores operacionais CI741.

Figura 4.2: Circuito seguidor de tensão utilizando amplificador operacional CI741
Com o circuito seguidor de tensão conectado ao sistema, ao aplicar uma tensão de 2 volts,
imediatamente, a amostra de IPMC apresentou grandes deformações. Ao monitorar as tensões
sobre os eletrodos do IPMC e do gerador, foi verificado que a tensão sobre os eletrodos, nos
instantes iniciais, era menor que a tensão de referência, mas logo depois, se igualou ao valor de
referência.
Com isso, apesar dos atrasos observados, conclui-se que o circuito seguidor de tensão
49

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

é eficiente, uma vez que este evitou as quedas de tensão causadas pela baixa impedância do
IPMC, e garantiu grandes deformações para as amostras testadas. Quanto ao atraso observado
entre as tensões nos eletrodos e nos terminais do gerador, em uma análise preliminar, imaginase que está vinculado ao tempo necessário para a migração de cargas que causam a deformação.
Uma análise mais detalhada sobre estes atrasos será apresentada na seção 4.2.

Sistema de controle
A seção 3.1 apresentou que, quando uma diferença de potencial é aplicada sobre os eletrodos do
IPMC, o lado polarizado com carga negativa sofre expansão e o outro lado contração, curvando
o material para o sentido do eletrodo carregado positivamente. Com base neste princípio, o sentido de deformação pode ser invertido quando a polarização dos eletrodos também for invertida.
Com a finalidade de controlar o sentido de deformação das amostras de IPMC, foram propostas
duas estratégias que permitem aplicar valores controlados de tensão e alternar a polarização dos
eletrodos.
A primeira estratégia testada utiliza dois terminais analógicos do NI-6009, de modo que
cada terminal controla a polarização de um único eletrodo. Estes terminais são polarizados
alternadamente, de modo que, a cada ciclo, um terminal é polarizado e o outro não, permitindo
a inversão da polarização dos eletrodos. O sinal gerado pelos dois terminais e a deformação
esperada no IPMC está ilustrado na figura 4.3.
No entanto, os testes de validação desta estratégia foram interrompidos, pois foi verificado que um dos dois terminais do NI-6009 não estava operando regularmente. Desta maneira,
a continuidade desse teste será realizada em trabalhos futuros, com a finalidade de comparar o
seu desempenho com outros sistemas de controle.
A outra estratégia utiliza apenas uma saída analógica do NI-6009, e foi elaborada devido
à necessidade de limitar o número de terminais. Nesta montagem, um dos eletrodos é aterrado
e o outro é conectado ao gerador de sinais que deverá produzir tensões positivas e negativas.
No entanto, o NI-6009 não produz tensões negativas. Por essa razão, foi elaborado um circuito
de subtração de tensões (figura 4.4). Nesta estratégia, o gerador de sinais produz tensões exclu50

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

Figura 4.3: Sinal gerado nos dois terminais do gerador e a deformação esperada no IPMC
sivamente positivas, e o circuito proposto subtrai um determinado valor de tensão deslocando
a referência e permitindo tensões positivas e negativas. Por exemplo, para produzir uma onda
quadrada de valor médio nulo e amplitude de 2,5 volts, em um dos terminais do circuito de
subtração de tensão (Vlab ), é aplicado o sinal do gerador que deve produz uma onda quadrada
que varia a tensão de 0 a 5 volts. No outro terminal (Vre f ), é aplicada uma tensão de 2,5 volts,
e este valor será subtraído da onda quadrada. Assim, quando a tensão do gerador for de 0 volts,
na saída do circuito (Vout ) será produzida uma tensão de -2,5volts e quando a tensão do gerador for de 5 volts, na saída será produzida uma tensão de +2,5 volts. A figura 4.5 mostra o
deslocamento dessa onda quadrada pelo emprego de um circuito de subtração de tensão.
O circuito de subtração de tensões apresentado também permite que a diferença entre as
tensões de entrada seja amplificada [28]. A amplificação pode ser calculada pela equação 4.1:

51

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

Figura 4.4: Circuito de subtração de tensões utilizando amplificador operacional

Figura 4.5: Deslocamento da onda quadrada gerada no NI-6009 para valores negativos

Vout =

R3
R2 + R4
R4
.
.Vre f - .Vlab
R1 + R3
R2
R2

(4.1)

Para R1 =R2 =10k e R3 =R4 =22k, temos uma amplificação de 2,2 vezes conforme
mostrada na equação 4.2:

Vout =

22k
10k + 22k
22k
.
.Vre f -
.Vlab = 2, 2(Vre f -Vlab )
10k + 22k
10k
10k

(4.2)

O circuito de subtração de tensões foi construído utilizando amplificadores operacionais
52

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

CI741 e foi acoplado em série entre o gerador de sinais e o circuito seguidor de tensão, conforme
mostra a figura 4.6.

Figura 4.6: Esquema elétrico do circuito de subtração de tensões e seguidor de tensão

4.1.2

Influência no sentido de lixamento na deformação do IPMC

Conforme apresentado na seção 3.1 (segundo Bonomo et. al. [20, 12, 21]), as estruturas dentadas e o grupo aniônico fixo do polímero eletroativo sofrem interações elétricas ampliando o
efeito da deformação. Estas estruturas dentadas são formadas nos poros presentes na superfície
do Nafion [5, 20], e também nas ranhuras criadas no lixamento da membrana, durante o procedimento de síntese das amostras. Com a finalidade de verificar qualitativamente a influência
da quantidade de estruturas dentadas na deformação dos IPMCs, foram comparadas as deformações de amostras de IPMC cortadas em fitas e lixadas em sentidos diferentes. Baseado na
explicação de Bonomo, espera-se que as fitas lixadas no sentido horizontal apresentem maiores
deformações que as lixadas verticalmente, já que a primeira possui mais estruturas dentadas no
sentido de deformação.
Sobre duas amostras de IPMC preparadas pelo método de Preethichandra, com dimensões
de 20mm x 5mm x 200µm e lixadas em sentidos diferentes, foi aplicada simultaneamente, uma
53

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

tensão constante (degrau) de 2,1 volts. Ambas as amostras deformaram, e é possível observar na
figura 4.7 que a membrana lixada horizontalmente (à esquerda) sofreu uma deformação maior
em relação à lixada verticalmente (à direita). A partir destas observações, conclui-se que o
raio de curvatura referente à deformação de uma amostra de IPMC é maior, quanto maior a
quantidade de estruturas dentadas no sentido da deformação.

Figura 4.7: Foto do experimento com as amostras lixadas no sentido horizontal (lado esquerdo)
e vertical (lado direito)
Em projetos futuros serão investigados métodos para dimensionar a quantidade de estruturas dentadas e quantificar a sua influência no desempenho eletromecânico de amostras de
IPMC.

4.1.3

Deformação do IPMC em função do tempo

Este teste tem como objetivo verificar a deformação de amostras de IPMC em função da tensão
aplicada. Inicialmente foi aplicado um degrau de 2 volts sobre uma amostra de IPMC preparada
pelo método de Preethichandra com dimensões de 35mm x 2mm x 200µm. A figura 4.8 mostra
a curvatura do IPMC em função do tempo. As amostram estavam armazenadas em água destilada.
Pela figura é possível observar que nos instantes iniciais a amostra se deforma rapidamente, e após algum tempo, a velocidade da deformação fica cada vez menor. Em uma análise
54

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

Figura 4.8: Deformação do IPMC em função do tempo
preliminar, imagina-se que imediatamente após polarizar os eletrodos do IPMC ocorre um
grande fluxo de íons no interior da membrana, o que justifica a rápida deformação. Porém,
com o transcorrer do tempo, os grupos iônicos com maior mobilidade se acomodam de um
lado da membrana e praticamente não se espera mais movimento destes, restando apenas o
movimento de outros grupos que apresentam menor mobilidade na matriz polimérica. Isto explica porque a velocidade de deformação da amostra diminui com o tempo, porém uma análise
mais aprofundada se faz necessária. Na seção 4.2 são mostrados testes mais aprofundados para
verificação de mobilidade destes grupos iônicos.
Antes de iniciar a etapa de obtenção de parâmetros para elaboração do sistema de controle
de posição e velocidade dos atuadores de IPMC, o experimento foi repetido com a mesma
amostra apresentada na figura 4.8, para verificar a repetibilidade do resultado. Porém, nenhum
dos testes apresentou o mesmo resultado. Como a vida útil destes materiais pode ser curta,
os testes foram repetidos com amostras novas, ainda não submetidas a campo elétrico, mas
mesmo assim não foram obtidos os mesmos resultados. Como os resultados não apresentam
repetibilidade significativa, não foi possível obter parâmetros de controle. Com o objetivo de
especular este comportamento das amostras, foram levantadas algumas hipóteses:
· As cargas com menor mobilidade se encontravam em uma posição diferente da inicial,
interferindo na migração das cargas com maior mobilidade.
· Como as amostras em fitas foram recortadas a partir de uma amostra de 5cm x 6cm, existe
a possibilidade da qualidade de deposição ser diferente de acordo com a posição em que
55

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

a amostra foi recortada, influenciando no desempenho eletromecânico destas.
· Como não houve nenhum controle do tempo de exposição das amostras ao ar, existe a
possibilidade das amostras desidratarem, modificando o desempenho.
· Como não houve controle das condições de armazenamento das amostras, existe a possibilidade das concentrações dos grupos iônicos sofrerem modificações.
O levantamento destas hipóteses reforça a necessidade de compreender os mecanismos
de transporte de cargas na fase polimérica da amostra (seção 4.2).
Comparação de deformação entre as amostras preparadas pelos métodos por Oguro e
Preethichandra
Outro teste foi proposto com o objetivo de comparar a deformação de IPMCs preparados pelos
métodos de Preethichandra e Oguro. Como visto seções 3.3.1 e 3.3.2, ambos métodos depositam uma camada de platina na redução primária. No entanto, a quantidade de metal depositado
nesta etapa não forma eletrodos de boa qualidade, o qual se faz necessário o crescimento da
massa dos eletrodos. No método de Oguro, deposita-se mais uma camada de platina, e no
método de Preethichandra, uma camada de prata. O foco deste teste é verificar se o material
depositado nos eletrodos, durante a redução secundária, influencia no nível de deformação.
Aplicou-se sobre as amostras um sinal de onda quadrada de amplitude 2,1V com uma
freqüência de 0,2Hz. Escolheu-se uma baixa freqüência devido ao tempo necessário para a
migração de cargas discutida no experimento anterior. As dimensões da amostra de IPMC
foram de 35mm x 2mm x 200µm. As figuras 4.9 e 4.10 mostram as amostras preparadas pelo
método de Preethichandra e Oguro, respectivamente, deformadas no ciclo de tensão negativa e
positiva. As figuras 4.11 e 4.12 mostram os gráficos dos valores dos ângulos de curvatura das
amostras preparadas pelo método de Preethichandra e Oguro durante a deformação. Os ângulos
de curvatura foram medidos a partir da normal da reta que une a extremidade da amostra ao
terminal elétrico.
Nos gráficos das figuras 4.11 e 4.12 é possível observar que a amostra preparada pelo
método de Oguro apresentou deformação máxima em torno de 45 , e a preparada pelo método
56

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

Figura 4.9: Deformação do IPMC obtido pelo método de Preethichandra em função do tempo

Figura 4.10: Deformação do IPMC obtido pelo método de Oguro em função do tempo
de Preethichandra, em torno de 35 . Considerando os métodos adotados, o procedimento
baseado no método de Oguro produziu amostras com desempenho melhor. Em projetos futuros, estão planejadas modificações para o método de Oguro e Preethichandra na tentativa de
melhorar o desempenho das amostras.
Durante os experimentos, foi observado que amostras encontravam-se esticadas dentro
da solução de armazenamento e, imediatamente após retirá-las da solução, estas começaram a
curvar, mesmo na ausência de um campo elétrico. Esta deformação é causada pela desidratação
da amostra, semelhante a um enrugamento. Após a aplicação de um campo alternado, foi
verificado que as deformações das amostras eram maiores e mais rápidas no sentido em que
se encontravam inicialmente curvadas. Ao monitorar a tensão dos terminais do gerador e as
tensões sobre os eletrodos, foi verificado que, durante a deformação no sentido inicialmente
curvado, as tensões sobre os eletrodos rapidamente se igualaram com a referência. Já no sentido
contrário, além da deformação da amostra ser menor e mais lenta, as tensões nos eletrodos
demoravam a se igualar com a referência. Em uma análise preliminar, foi levantada a hipótese
que estas observações estão relacionadas com a maior facilidade de acomodação dos grupos
57

4.1. TESTES DE DEFORMAÇÃO

Figura 4.11: Gráfico do ângulo normal da reta que une os terminais elétricos e a extremidade
da amostra para o IPMC de Preethichandra

Figura 4.12: Gráfico do ângulo normal da reta que une os terminais elétricos e a extremidade
da amostra para o IPMC de Oguro
iônicos no sentido em que a amostra se encontra espontaneamente curvada. Análises mais
detalhadas sobre os fenômenos observados serão apresentadas na seção seguinte.

4.1.4

Deformação em função da freqüência

Ao se aplicar um campo elétrico oscilatório sobre uma amostra de IPMC, é esperado que este
se deforme em um movimento também oscilatório. O experimento aqui descrito tem o objetivo
58

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

de verificar como a amostra de IPMC se deforma em função da freqüência. Aplicou-se uma
tensão na forma de uma onda quadrada de amplitude de 2 volts, e observou-se a deformação
do material em função da freqüência da onda. Os resultados apresentados na seção anterior
são referentes ao experimento realizado com freqüência de 0,2Hz. Para freqüências de até
5Hz, o material apresentou deformações com raios de curvaturas praticamente constantes, e se
deformava rapidamente nas posições intermediárias e, vagarosamente nas extremidades. Porém,
para freqüências superiores a 5Hz a deformação das amostras ficavam menores, mostrando
claramente uma redução de deformação com o aumento da freqüência.
De acordo com os mecanismos que provocam a deformação, apresentados na seção 3.1,
espera-se que a deformação da amostra seja maior quando houver uma grande diferença de
concentração de água em suas extremidades. Em uma análise preliminar, foi possível concluir que o material apresenta grandes deformações para tensões em baixas freqüências, pois
o intervalo de tempo para os cátions se moverem, de uma extremidade a outra, é menor que
o período do campo elétrico. Porém, em campos elétricos de freqüência elevada, os cátions
não dispõem deste intervalo de tempo relativamente longo para migrar entre as extremidades.
Conseqüentemente, os cátions ficam oscilando em torno de um ponto estacionário no meio
da membrana, causando apenas deformações de amplitude reduzida. Esse comportamento é
esquematicamente mostrado na figura 4.13.

4.2

Caracterização elétrica dos IPMCs

A condução elétrica em polímeros pode ser explicada por vários mecanismos de transporte de
portadores de carga. Dependendo do polímero e da maneira em que o material é sintetizado,
estes mecanismos podem ser diferentes e relacionados aos movimentos de cargas livres ou de
cargas ligadas (dipolos). Para aplicações tecnológicas, conhecer essas propriedades elétricas é
de fundamental importância.
Na seção anterior foram observados comportamentos do material que, para a sua descrição, necessitam de uma melhor compreensão dos fenômenos de transporte de portadores
de carga que ativam os movimentos dos IPMCs. Os experimentos abaixo têm como objetivo
59

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

Figura 4.13: Movimento esperado pelos íons e a deformação da amostra de IPMC em campos
elétricos de baixa freqüência e alta freqüência
obter resultados preliminares de curvas de resposta elétrica do dispositivo e especular os mecanismos de transporte de portadores de cargas no interior da membrana. Foram realizados dois
experimentos elétricos: medidas elétricas em campo contínuo (medidas DC) e campo alternado
(medidas AC).

4.2.1

Medidas DC

Durante a condução elétrica nos materiais poliméricos, portadores de cargas migram ao longo
da matriz polimérica, sofrendo interações de defeitos e regiões cristalinas, armadilhas (traps),
cargas acumuladas e distorções da cadeia. Essas interações influenciam em sua mobilidade, e
que por sua vez, modifica a condutividade do material. Existem, basicamente, duas situações
60

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

de migração no interior da matriz polimérica, via mecanismo de salto de portadores de carga,
que em geral é válida para polímeros semicondutores. A primeira trata de portadores de carga
idênticos sofrendo interações de barreiras de energia diferentes, os quais seriam representados
pelos defeitos nas regiões cristalinas, traps, cargas acumuladas e distorções da cadeia. A outra
situação trata de portadores de carga diferentes, representados por elétrons, vacâncias, e grupos
iônicos, sofrendo interações de barreiras energéticas idênticas.
A técnica de medidas de corrente contínua tem como objetivo determinar as características elétricas de materiais sob a influência de um campo elétrico contínuo e, portanto, informação
sobre o produto entre a densidade de cargas e a mobilidade dos portadores de carga. A técnica é
baseada no monitoramento da densidade de corrente elétrica, ao longo de um filme polimérico,
em função de uma tensão contínua aplicada sobre a amostra. A tensão sobre o material é incrementada a uma taxa controlada pelo equipamento, e o valor da corrente elétrica produzida é
armazenada.
Algumas referências [29, 30, 31] ainda apontam o modelo de "corrente limitada por cargas espaciais" - SCLC do inglês Space Charge Limited Current, adequado para o estudo de
materiais compósitos do tipo eletrodo/polímero/eletrodo. Este modelo considera os eletrodos
como ôhmicos, ou seja, de resistência desprezível1 , de modo que características elétricas do
dispositivo sejam determinadas basicamente pelo volume polimérico. Segundo Mott e Gurney
[29], para polímeros condutores isentos de traps, onde o transporte de cargas é feito por apenas
um tipo de portador, a variação da densidade de corrente é linear com relação ao quadrado da
tensão aplicada dividido pelo cubo da espessura da amostra, conforme mostra a equação 4.3.

J=

9o µ V 2
8 d3

(4.3)

onde 0 é a permissividade no vácuo, r é a constante dielétrica do material, µ é a mobilidade dos portadores e d a espessura do material. Caso o gráfico J x V2 /d3 formar uma reta, é
possível concluir que o mecanismo de transporte de portadores de carga no material obedece ao
modelo de SCLC e, a partir do coeficiente angular do gráfico, é possível determinar o produto
1 No

caso dos IPMC isso é viável, uma vez que eletrodos de platina são excelentes condutores

61

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

entre a densidade de cargas e a mobilidade dos portadores de carga.
O equipamento utilizado para estas medições foi um eletrômetro Keithley 6517A Electrometer/High Resistance Meter. Este equipamento mede valores de corrente elétrica em função
da tensão aplicada, que pode variar de 1µV a 210V. Inicialmente, para uma amostra preparada
pelo método de Oguro com dimensões de 4cm x 1cm x 200mum, o equipamento foi ajustado
para varrer valores de tensão de 0 à 1 volt, com incremento de 2mV a cada 10 segundos (delay).
O gráfico de corrente versus tensão, e densidade de corrente versus V2 /d3 estão apresentados
nas Figuras 4.14 4.15 respectivamente.

Figura 4.14: Medidas DC da densidade de corrente versus tensão, varrendo o intervalo de 0 a 1
volt com incremento de 2mV e delay de 10 segundos
Outros experimentos de medida da densidade de corrente versus V2 /d3 , com a mesma
amostra e condições semelhantes, foram realizados com a finalidade de conferir a repetibilidade
dos resultados. Os gráficos das figuras 4.16, 4.17, 4.18 e 4.19 mostram os resultados obtidos.
Observando os gráficos de densidade de corrente (J) versus V2 /d3 das Figuras 4.15, 4.17,
e 4.19 observam-se que seus aspectos não são lineares, invalidando o modelo de SCLC. Com
estes resultados, é possível em uma análise preliminar, fazer as seguintes especulações:
· Durante os experimentos, fatores como a oxidação dos eletrodos ou contatos mal feitos
62

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

Figura 4.15: Medidas DC da densidade de corrente (J) versus V2 /d3 , varrendo o intervalo de 0
a 1 volt com incremento de 2mV e delay de 10 segundos

Figura 4.16: 2 Experimento de medidas DC da densidade de corrente versus tensão, varrendo
o intervalo de 0 a 1 volt com incremento de 1 mV e delay de 10 segundos
podem acumular cargas que contribuíram para desviar os resultados obtidos do modelo
de SCLC;
· De acordo com Bar-Cohen [5, 6], dependendo do nível de tensão, a água presente na
63

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

Figura 4.17: 2 Experimento de medidas DC da densidade de corrente (J) versus V2 /d3 , varrendo o intervalo de 0 a 1 volt com incremento de 1 mV e delay de 10 segundos

Figura 4.18: 3 Experimento de medidas DC da densidade de corrente versus tensão, varrendo
o intervalo de 0 a 0,6 volt com incremento de 2 mV e delay de 10 segundos
amostra sofre eletrólise. Os gases produzidos podem modificar a distribuição de cargas
no meio e também podem acumular cargas, desviando os resultados;
· Durante a preparação das amostras, pequenas rugosidades do material podem gerar ten64

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

Figura 4.19: 3 Experimento de medidas DC da densidade de corrente (J) versus V2 /d3 , varrendo o intervalo de 0 a 0,6 volt com incremento de 2 mV e delay de 10 segundos
sões residuais, que por sua vez, influenciam na mobilidade dos portadores de carga;
· Além dos cátions móveis, possivelmente existem outros grupos com menor mobilidade.
A cada posição ocupada por estes portadores de carga com menor mobilidade, a o transporte dos cátions móveis varia significativamente;
Com essa análise preliminar, não é possível chegar a conclusões mais consistentes. Como
o planejamento inicial desta dissertação não contava com estes testes, propõem-se estudos mais
profundos em trabalhos futuros. Estes testes podem ser realizados novamente com os devidos cuidados com os problemas mencionados em relação aos eletrodos, tais como oxidação,
contatos mal feitos e rugosidades. Após estes experimentos, caso o modelo SCLC não tenha
correspondência com os resultados obtidos, uma revisão e implementação de outros modelos
deverão ser realizadas.

65

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

4.2.2

Medidas AC

O princípio da técnica de medidas AC, ou espectroscopia de impedância, consiste em aplicar
uma perturbação senoidal de tensão, de pequena amplitude e de freqüência , sobre uma
amostra polimérica de faces planas e metalizadas. Em resposta a este sinal, uma corrente alternada é gerada e, de acordo com as leis de Ohm, é possível então determinar a impedância do
material Z [32, 33, 34]. A impedância do material é medida em função da freqüência, geralmente, valores entre 107 a 10-4 Hz, com o objetivo de verificar a maneira como os portadores
de carga presentes na matriz polimérica reagem ao campo elétrico alternado. Em freqüências
elevadas, somente os portadores com maior mobilidade conseguem migrar em fase com a referência, ou seja, os portadores de carga migram de uma extremidade a outra da matriz polimérica,
em um tempo característico menor que o período do campo oscilatório. Já os portadores com
menor mobilidade, não dispõem deste intervalo de tempo relativamente longo para migrar entre
as extremidades. Com isso, uma defasagem de corrente elétrica é observada devido à diferença
de mobilidade dos portadores de carga presentes na matriz polimérica. Esta defasagem pode
ser detectada pelo equipamento, o que torna conveniente representar a impedância em termos
complexos, conforme mostra a equação 4.4

Z( f ) = Zreal ( f ) + jZcomplexo ( f )

(4.4)

Uma estratégia comumente utilizada para interpretação dos dados obtidos é a associação
dos valores de defasagem obtidos, com valores de impedância de um circuito elétrico equivalente. Seja um circuito com resistências e capacitores (circuito RC paralelo), a resistência
equivalente é dada pela equação 4.7.

1
1
1
1
1
1
=
+ = +
= + jC
Zeq ZR Zc R - j/C R

Zeq =

1 + jRC
R

(4.5)

(4.6)

66

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

Zeq =

R
R
R2C
=
-
j
1 + jRC 1 + 2 R2C2
1 + 2 R2C2

(4.7)

A partir destes valores de impedância é possível determinar os valores de capacitância, admitância e condutividade que podem facilitar a resolução de problemas físicos e a compreensão
dos mecanismos de transporte dos portadores de carga. Na tabela 4.1, são mostradas, em título
de ilustração, algumas funções que podem ser obtidas a partir do conhecimento experimental
das componentes real e imaginária da impedância de uma amostra de faces planas paralelas
com espessura , e área A.
Tabela 4.1: Funções complexas obtidas a partir das componentes da impedância complexa[32].

O equipamento utilizado para essa medida foi o Impedanciômetro Solartron 1260 Impedance/ Gain Phase Analyser, que permite aplicação de uma amplitude de tensão de 0 a 3 V em
um intervalo de freqüência de 10 µHz a 32 MHz.
Nos testes de medida AC, o equipamento foi ajustado para varrer freqüências de 107 à
10-4 Hz, com amplitude de 1 volt. A cada ciclo foram realizadas 10 medições. O gráfico de
impedância versus freqüência está representado na figura 4.20.
Esses resultados não são capazes de fornecer informações mais conclusivas, pois os valores impedância ficaram muito próximos de 75 que é a impedância dos cabos, segundo o
manual do equipamento utilizado [35]. A baixa resistência pode ter sido causada por algum
curto circuito entre os eletrodos. Entretanto, apesar da baixa resistência, foi possível observar
a deformação do material em baixas freqüências (valores abaixo de 20 Hz), fornecendo assim algumas conclusões qualitativas. Como sugestões para trabalhos futuros, será interessante
67

4.2. CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA DOS IPMCS

Figura 4.20: Medidas AC varrendo freqüências de 107 à 10-4 Hz com amplitude de 1 volt
realizar uma revisão sobre esta técnica e modelos e uma revisão no preparo das amostras.

68

Capítulo 5
Conclusões e discussões
Este trabalho tratou da aplicação dos princípios de biomimética aplicados no desenvolvimento
de dispositivos para robótica e bioengenharia, principalmente sistemas de acionamento e movimentação alternativos àqueles baseados em motores elétricos rotacionais e junções, visando
obter suavidade e flexibilidade nas ações.
A proposta aqui apresentada baseia-se em polímeros eletroativos - EAPs, materiais capazes de modificar sua forma e dimensões quando submetidos a um campo elétrico, e realizar
movimentos suaves. Os EAPs constituem uma excelente alternativa para a construção de atuadores leves, flexíveis e, em alguns casos, baratos, e ainda permitem aplicações na construção
de sensores, uma vez que são excelentes conversores de energia mecânica em energia elétrica.
Foi apresentado os diversos tipos de EAPs e seus respectivos mecanismos eletroquímicos e/ou
eletromecânicos que provocam a deformação do material.
Dentre os EAPs, foi dado destaque aos compósitos iônicos polímero-metal - IPMCs, por
constituírem uma excelente alternativa para ser utilizado em projetos de dispositivos biomiméticos. O IPMC é constituído de uma fase de polímero eletroativo entre eletrodos de metais
nobres. Mecanismos de migração de cargas e interações elétricas, ativadas por um campo
elétrico, provocam a deformação deste material. Foi apresentada uma descrição detalhada de
duas metodologias experimentais para o preparo de IPMCs, o métodos propostos por Oguro
e Preethichandra, incluindo uma análise comparativa das amostras preparadas. Imagens de
MEV da interface eletrodo-polímero mostraram que os eletrodos depositados pelo método de
69

Preethichandra são menos consistentes que os eletrodos preparados pelo método de Oguro, além
de apresentar inúmeras rachaduras em sua superfície, provavelmente resultantes da oxidação da
fase de prata. A diferença de consistência dos eletrodos foi atribuída ao tempo gasto na redução secundária. Também foram comparados os desempenhos eletromecânicos das amostras
preparadas, e foi verificado que as amostras preparadas pelo método de Oguro apresentam
uma deformação maior que as demais. Com isso, é possível concluir que, considerando os
procedimentos adotados, o método de Oguro permite a síntese de amostras com desempenho
eletromecânico melhor que as amostras preparadas pelo método de Preethichandra.
A verificação da influência da quantidade de estruturas dentadas na deformação do material foi realizada através de uma comparação experimental de amostras com características
diferentes. Observou-se que amostras de IPMC lixadas em sentido horizontal deformam mais
que as lixadas no sentido vertical. Como essas amostras possuem uma quantidade de estruturas dentadas maior, é possível concluir que a deformação de IPMCs é maior, quanto maior a
quantidade de estruturas dentadas no sentido de deformação.
Em experimentos realizados para observar a deformação das amostras submetidas a uma
tensão elétrica oscilatória. Verificou-se que a deformação é maior para freqüências baixas.
Em uma análise preliminar, concluiu-se que os cátions móveis demoram um certo intervalo de
tempo para migrar de uma extremidade a outra, e provocar grandes deformações. Esse atraso
na resposta justificaria o comportamento do material observado.
No entanto, os resultados obtidos não se repetiram em outros experimentos com as mesmas condições. Foram levantadas hipóteses vinculadas à interferência dos grupos com menor
mobilidade sobre os grupos com maior mobilidade, deposição metálica heterogênea e modificações físico-químicas durante o armazenamento e experimentos. Visto que estes fatores estão
relacionados com os mecanismos de transporte de portadores de carga, foram propostos dois
experimentos: as medidas DC e AC. Desses experimentos, foram obtidos gráfico J vs V2 /d3 ,
com as medidas DC, com o objetivo de verificar se os mecanismos de condução de portadores
de carga do IPMC obedecem o modelo de corrente limitada por cargas espaciais - SCLC. No
entanto, os resultados preliminares invalidaram esse modelo, o que sugere que a metodologia
seja revisada, e/ou novos modelos sejam testados em trabalhos futuros.
70

5.1. TRABALHOS FUTUROS

No que se refere às medidas elétricas em campo alternado (AC), foi verificado que a
impedância do IPMC é muito próxima à impedância dos cabos, impedindo que conclusões
relevantes sejam alcançadas com relação a esses testes. Apesar de não ter sido esse um foco do
estudo, é possível concluir, a partir dos resultados preliminares, que esse tipo de teste merece um
aprofundamento, e que pode esclarecer detalhes importantes da fenomenologia da deformação
dos IPMCs.

5.1

Trabalhos futuros

Observando os resultados obtidos no desenvolvimento do estudo, em termos de projeto de controladores dos dispositivos de acionamento baseados em IPMC, ainda não foi possível obter
com precisão valores dos parâmetros de controle de posição e velocidade, mas foi possível
verificar suas limitações e seu potencial para aplicações em robótica e bioengenharia.
Uma sugestão para trabalhos futuros, que se pretende seguir na seqüência deste estudo,
é projetar e construir atuadores miniaturizados para aplicações em robótica e bioengenharia,
utilizando IPMCs, como os construídos durante esse estudo. Esse trabalho implicará em um
aprofundamento na busca de obtenção de atuadores menores e capazes de realizar esforços
mecânicos de maiores magnitudes, ampliando assim suas capacidades de acionamento. Especificamente no caso de aplicações em bioengenharia, far-se-ão necessários estudos detalhados de
biocompatibilidade, dada a possibilidade de implantar dispositivos artificiais no corpo, e colocar
o IPMC em contato direto com sistemas biológicos vivos.
Conforme as observações realizadas e as conclusões sobre os testes elétricos realizados no
estudo, colocam-se como necessários trabalhos futuros dando continuidade a esse tipo de experimento, para revisar procedimentos e técnicas, e aprofundar a compreensão da fenomenologia. E, evidentemente, trabalhos relacionados à síntese do material, também serão sempre
interessantes, pois poderão resultar em melhoria no desempenho eletromecânico do material,
permitindo ampliar e aprimorar suas aplicações na construção dos dispositivos de acionamento.

71

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75

Apêndice A
Desenvolvimento de um anuro robótico
com atuadores baseados de músculos
artificiais de EAPs
Artigo aceito para publicação na 4th International Conference on Autonomous Robots and
Agents (ICARA 2009), a ser realizada em Wellington, Nova Zelandia, de 10 a 12 de fevereiro
de 2009. Conferência organizada pela Massey University com o apoio do IEEE.

76

Development of an Amphibious Robotic Propulsor
Based on Electroactive Polymers
Laos A. Hirano

Luiz S. Martins-Filho

Ricardo O. Duarte

Federal University of ABC
Materials' Eng. Postgraduate Programm
and J. Fernando de Paiva
Rua Catequese 242
Federal University of Ouro Preto
Federal University of Ouro Preto
09090-400 Santo Andre/SP, Brazil
Campus Morro do Cruzeiro
Campus Morro do Cruzeiro
Email: [email protected]
35400-000 Ouro Preto/MG, Brazil
35400-000 Ouro Preto/MG, Brazil
Email: [email protected]
Email: [email protected], [email protected]

Abstract--This paper presents the project of a robotic device for propulsion in aquatic environment. The propulsor is
a biologically inspired system characterized by efficiency and
flexibility for locomotion environment changing: the legs of
anuran amphibious. These animals are exceptionally adapted to
locomotion in water and land. This type of locomotion requires
specific features of the mechanisms that are hardly provided
by traditional solutions based on standard electric motors. The
proposed approach is based on ionomeric polymers-metal composites drives, constituting a system commonly called artificial
muscle. The paper presents the anuran locomotion modeling,
a description of the electroactive polymers, the experimental
production procedures and results, and also discusses some
constructive aspects of a first device prototype.
Index Terms--aquatic propulsor, robotics, artificial muscles,
electroactive polymers.

I. I NTRODUCTION
The present challenges in mobile robotics include improvements based on artificial intelligence, system miniaturization,
softness of movements, and reduction of energy consumption.
One interesting research perspective consists on the adaptation
of mechatronic systems to different environments. In this
specific domain, good design solutions can be abstracted from
biological systems. The robotics area where mechanisms and
devices are developed taking inspiration in biological systems
is called biomimetics [1], [2].
The amphibious of anuran order, like frogs and toads
(Fig. 1), are well adapted for locomotion in terrestrial and
aquatic environment, a very desirable feature for amphibious
mobile robots. Our work has the general objective of designing
and construction of anuran-like robot. This work will be
divided in three steps. The first one is the development of
biomimetic legs for locomotion in water. The second step is
the adaptation of legs to provide terrestrial locomotion, and at
last the design of transition between this two distinct modes.
However, the flexibility and complexity of anuran movements represent huge difficulties to a classical mechatronics
design, based on electrical motors and robotic joints. Robots
with a high number of degrees-of-freedom demand a large
quantity of actuators which suggest difficulties for miniaturization and soft movements. Moreover, robots concepted by
these usual devices result in heavy prototypes, demanding

Fig. 1. An endemic specie of toad commom in Serra do Itacolomi (Brazil),
Physalaemus erythros (Photo by Leandro Drummond).

high efforts and energy and causing more critical impacts
to execute terrestrial locomotion. Consequently, an alternative
robot conception is strongly desirable.
An innovative solution for these robotics applications is
becoming popular: actuators based on electroactive polymers
(EAP). The EAP materials have the property of deformation
when immersed into an electrical field. An important remark:
the inverse property is also observed, i.e. when deformed,
the EAP generates a voltage allowing its usage as sensor
device. Among the different types of EAP-based composite
materials, an interesting option for actuators construction
is the ionomeric polymer-metal composites (IPMC). These
composites react/deform under low level electrical stimulus,
present high force-voltage ratio and fast response. Some of
dynamical behaviors of the IPMC are similar to the biological
muscles features. For this reason, this material is called as
artificial muscles [1].
This paper discusses details of the first stage of this study:
the development of mechatronic legs biologically inspired to
provide propulsion in aquatic environment. After this introduction, the paper presents the mathematical modeling of anuran
legs aquatic propulsion, the description of IPMC devices
construction procedure, the experimental results, and aspects
of the leg device designing. Concluding remarks and future
perspectives close the paper.

Fig. 2.

Kicking propulsion modes: (a) asynchronous and (b) synchronous.

Fig. 3.

Kicking propulsion phases: (a) retraction and (b) extension.

II. B IOMECHANICS MODELING OF AMPHIBIOUS ANURANS
The biomechanics of the anurans has been deeply studied in
consequence of the high locomotion adaptability of these animals, dealing with diverse environments, aquatic and terrestrial
ones. The objective of this study is to understand the aquatic
motion, the fast movements that allow the anuran jumps on
terrestrial surfaces, and the muscle actions responsible for the
locomotion transition between different environments [6]. For
the reason of this paper is focused on the designing a robotic
propulsion system, this section will discuss only the study of
the aquatic locomotion and the propulsion performance.
The computation of the anuran propulsion forces in aquatic
environment can be simplified considering the equilibrium
in the vertical forces, i.e. the weight force is equal to the
buoyancy force [5]. In this specific condition, no deep control
efforts were considered.
The displacement of amphibious in water is given by
synchronized extensions of posterior members, resembling a
kicking movement. There are two basic propulsion generation
modes: the asynchronous and the synchronous kicking [6].
In the asynchronous kicking (Fig. 2-a), the anterior members
extensions are given alternating with the posterior members,
while in synchronous kicking (Fig. 2-b), the legs execute
symmetric movements of retraction and extension. The posterior members also contribute to the propulsion. Meanwhile,
this work is focused on the posterior members working in a
synchronous propulsion mode.
The legs movements can be divided into two distinct
phases: the retraction or recuperation phase, and the extension
or power phase [5]. The retraction phase (Fig. 3-a) is the
sequence of movements preparing the legs to execute the
next kick or, in other words, to begin the next extension
phase (Fig. 3-b). In this phase, the animal body decelerates
in consequence of the sense of legs movements, and in
the following phase, the body is accelerated by the kicking
impulsion. Therefore, the average value of the propulsion force
T can be defined by the difference between the force generated
in the extension phase Fext and the retraction phase Fret .
T = Fext - Fret

(1)

An effect of resistance due to the displacement is the drag
force D. It must be taken into account in mathematical model
of the movement. Considering the propulsion force and the
drag force, the resultant force is given by:
Fresult = T - D

(2)

Fig. 4.

The curve of the propulsion force versus time.

The drag force is proportional to the square of the speed,
as given below:
D=

1
Sw CD U 2
2

(3)

where is the fluid density, Sw is the wet body surface, CD
is the drag coefficient, and U is the body speed. In order to
simplify the model, we consider that the amphibious is moving
with a constant speed in a static fluid. Therefore, the values of
, Sw and CD can be considered as constants [5]. Using this
mathematical model of the anuran locomotion, it is possible
to simulate the dynamics of the legs movements and have
an estimation of the force that the actuators must produce.
Regardless of the simplifications adopted in the model, these
results can be used to design the first robotic prototype.
According to the Eq. (1), we see that it is necessary a force
produced in extension phase Fext bigger than the force produced in contraction phase Fret to obtain a positive resultant
force. The latter consequently provides the propulsion of the
animal body. The Fig. 4 shows the propulsion force produced
by the posterior members, where (a) represents the amplitude
of the force in the extension phase and (b) the propulsion
duration. The time (c) represents impulsion duration, i.e. the
phase where the body advances using the propulsion produced
in extension phase, before a new retraction phase to prepare
another kick. The values of negative force represented by (d)
result from the deceleration of the retraction phase. The time
(e) corresponds to the retraction duration [7].
In order to verify the efficiency of the propulsion produced by the leg using the model proposed in Fig. 4, an
approximative simulation of resultant forces, the speed and
the displacement of the prototype with K = 0.05 was done.
For this simulation, the equations (2) and (3) were considered.
Analyzing the simulations results (Figs. 5, 6 and 7), it
is possible to observe the body advancing when the legs

Fig. 5.

The curve of the propulsion force versus time.
Fig. 8.
[2].

Fig. 6.

The curve of the body speed versus time.

produce the forces similarly to the ones showed in Fig. 4.
This simulation proves the possibility to apply this model in
aquatic propulsion systems.
III. E LECTROACTIVE POLYMERS
The Electroactive Polymers (EAP) are materials with the
capability to deform when submitted to an electrical field
stimulation. EAPs are commonly composed of electroactive
polymers and conductor materials. The dynamic proprieties of
EAPs are similar to biological muscles, stimulating researches
of artificial muscles built with those materials. The EAPs are

Fig. 7.

The curve of the body displacement versus time.

Structural formula of (a) Nafion, (b) Flemion and (c) Aciplex [1],

classified into two main types: electric and ionic ones [1],
[2]. Ionic EAPs are materials which deformation is caused by
diffusion effects activated by electric fields. When am electric
field is applied on the EAP, solvated ions migrate to different
sides producing a gradient of water concentration. Solvated
ions are commonly found in gels, waxes, and proton exchange
membranes (PEM). As a consequence, the face with higher
concentration of water expands and the opposite face contracts.
The material considered in this work to construct the
robotic actuators is a composite based on ionic EAPs, more
specifically the ionomeric polymers-metal composites (IPMC)
[1]. Typical IPMC sample consists of a thin (200 µm) polymer
membrane with metal electrodes (5-10 µm thick) plated on
both faces. The polymers used as the polymeric phase, are
the Nafion R (DuPont), Flemion R (Asahi Glass) or Aciplex R
(Asahi Chemical) (Fig. 8). Noble metals (e.g. gold, platinum)
are preferred to produce the electrodes due to the good conductivity property, high malleability and resistance to oxidation
[1], [2].
These materials have important mechanical and electrical
properties to robotics applications. They are light, soft, and
can be used as actuator or deformation sensor, realize smooth
movements, and they are activated using low voltages [4].
A. The bending mechanism
When a voltage is applied across the tape of hydrated
IPMC, the electrodes polarized with opposite charges activate
an electrical field on polymeric layer, and two phenomena
cause deformation of polymeric phase. The first one is the
diffusion effect. The mobile solvated cations migrate to cathode producing a water concentration gradient (see Fig. 9),
in such a manner that the cathode expands and the anode
contracts, bending the sample to the anode direction [1],
[2], [4]. The other phenomenon is caused by coulombian
interaction between dendritic structures of charged electrodes
and fixed anionic groups of Nafion's polymeric chain. During
the electrode deposition, metallic ions are dispersed through
the polymer superficial region creating a porous structure,
where reduced ions make a dendritic structure on polymer-

Fig. 10. IPMC under 1.93V: the left one is sandpapered in vertical, and the
right one is sandpapered in horizontal direction.

Fig. 9.

Bending mechanism of IPMC.

electrode interface. These electrodes, when submitted to an
external voltage, will load one side with positive charges and
the other side with negative ones. These charges will interact
with the fixed negative groups in the polymer chain (the
anionic groups experiment repulsion by dendritic structure,
while on the positive charged plate will occur attraction). This
effect reinforces the first one, and amplifies the bending effect
[9]. The Fig. 9 shows details of these phenomena.
The IPMC can also be used as a deformation sensor. A
mechanical stress over an IPMC sample produces a voltage
that can be used to determinate the deformation degree imposed over the membrane. The bent material modifies the
charges distribution with respect to the membrane neutral axis.
The applied stress will contract one side of the membrane
while it will spread the other. Consequently, the mobile cations
will move toward the region characterized by a lower charge
density, carrying parasitically the solvent molecules (i.e. the
deionized water). A deficit of negative charges in one side
and an excess of positive ones in other side will result in
the expanded side. In the contracted side, the opposite effect
will be produced. This phenomenon induces a voltage drop
collected in the metallic electrodes. This effect has a quite
intuitive application as a sensing device [4].
B. IPMC preparation procedure
The procedure proposed by Oguro [8] describes four basic
steps to prepare IPMC tapes. The first step consists on the
preparation of the membrane surface. In this phase, after
cutting a sample of Nafion in a properly dimension to robotic
applications, it is rough polished to increase the contact area,
which electrodes will be formed, and also to improve the
quality of dendritic structure. The membrane is washed with
deionized water using an ultrasonic cleaner and boiled in acid
solution to remove impurities.
In the next step, the prepared membrane is immersed in an
amino platinum complex solution (Pt(NH3 )4 Cl2 ) that contains
2 milligrams of platinum per milliliter of solution. The goal
is the adsorption of Pt+2 ions by the membrane.

The third step is the primary deposition. In this phase, the
soaked membrane with Pt+2 ions is immersed in a reductor
agent solution such as sodium borohydride (NaBH4 ). The
adsorbed ions migrate to the surface where they are reduced
to metallic Pt (Tab. 1).
However, the amount of platinum deposited in the first step
(0.9mg/cm2 [8]) is not sufficient to produce electrodes with
adequate performance (the ideal is 2.0mg/cm2). Hence, the
last step consists on the growing of the initial platinum nuclei
formed in the previous step. The membrane is immersed in an
amino platinum complex solution which contains 2 milligrams
of platinum per milliliter of solution, and small quantities
of reductor agent weaker than sodium borohydride (e.g. hydroxylamine hydrochloride with hydrazine) under stirring and
temperature between 40o C and 60o C [8].
Otherwise, it is possible also to replace the growing step
of platinum deposit by a deposition of silver, as proposed
by Preethichandra [11]. The procedure consists on immersing
the membrane in solution of AgNO3 (1N), NH4 OH (1N) and
NaOH (0.5N) in the ratio of 1:2:1.2, and small quantities of
glucose 0.5M are added. Then a formation of silver layer could
be observed over the primary layer of platinum deposit. Tab.
2 presents the reaction steps of the process [11].
C. Experimental results of the IPMC production
In order to investigate some parameters that influence the
deformation degree, two experiments were done. The first
one investigates the influence of polishing procedures on the
dendritic structure developed and the deformation mechanism
as mentioned in Section 3-A. The deformation degrees of
two tapes were compared, one of them polished on vertical
direction and the other on horizontal direction. The bending
effect is higher on sample polished on the horizontal direction
(Fig. 10) . As expected, on horizontal direction there are
a higher number of dendritic structures than the other. The
Fig. 11 shows the dendritic structures in samples obtained by
Oguro (b) and Preethichandra (a) method.
The second experiment compares the bending degree of
tapes obtained in Oguro and Preethichandra methods. The
method of Oguro is more expensive than Preethichandra's
method by reason of quantity of platinum used. However, the
tapes with only platinum plated had faster response and lower
activation voltages than the tapes with platinum and silver

TABLE I
T HE PROCESS OF ELECTROLESS CHEMICAL REDUCTION

FOR PLATINUM LAYERS

[10]

reaction

process

- + H+ (in Nafion)
[Pt(NH3 )4 ]+2 + 2Cl- + NH+
4 + OH
+2
[Pt(NH3 )4 ] (in Nafion) + NH4 Cl-
2 + H2 O
+
-
NaBH4 + 8OH- BO-
2 + Na + 6H2 O + 8e
[Pt(NH3 )4 ]+2 + 2e- Pt0 + 4NH3
NaBH4 + 2H2 O NaBO2 + 4H2
+
NaBH4 + [Pt(NH3 )4 ]+2 + 8OH- 4Pt0(s) + 16NH3(g) + BO-
2 + Na + 6H2 O

ion-exchange process
and hydrolysis
oxidation response
reduction response
additional response
total response

TABLE II
T HE PROCESS OF ELECTROLESS CHEMICAL REDUCTION
reaction
2AgNO3 + NaOH Ag2 O(s) + H2 O + NaNO3
Ag2 O + NH3 + H2 O 2Ag(NH3 )2 OH
2Ag(NH3 )2 OH + C6 H12 O6 2Ag(s) + C6 H11 O7 NH4 + 3NH3 +H2 O

FOR SILVER LAYERS

process
Silver oxide is formed (Dark brown sediment is formed)
Complex of silver amino hidroxide is formed
Reduction of silver electrodes

Fig. 11. Cross section of a typical (a) Pt-Ag-plated Nafion and (b) Pt-plated
Nafion, showing dendritic structure of electrodes.

layer. The silver and platinum tape rusted easier than platinum
one.

Fig. 12. The experimental apparatus for testing movements sequences on
the step motors-based prototype.

IV. T HE PROPULSOR DEVICE DESIGN
We present in this section the basic ideas that are guiding
the development of the robotic system to emulate the anuran
legs movements. The initial experimental tries used a first
rough prototype (Fig. 12) actuated with steeper motors, just
for the understanding of the necessary motion sequences. The
control of movements was done using a computer, and it
confirmed experimentally the remarks about the difficulties
of obtaining a mimetic anuran robot based exclusively on
classical electric motors. The Fig. 13 shows a comparison
between two constructive approaches: a classical mechatronic
composition and an IPMC-based leg design. These illustrative
drawings suggest the constructive advantages and the actuation
easiness. Despite the simplicity of the first prototype, this
initial phase of the project is be useful to plan the motion
sequences, as well to design the signal references for the
closed-loop control.
In order to produce experimentally the movements results of
numerical simulations (Figs. 5, 6 and 7), the prototype must
generate forces as described in Fig. 4. Using the modeling
proposed in [3], the anuran legs can be considered as cylinders,

Fig. 13. Two different versions of the leg mechanism design: the first one
based on classical mechatronics, the second on IPMC actuators.

and the drag forces when the legs are placed perpendicularly
to the flow are 80% bigger then when the legs are parallel
to the flow [3]. This strategy can be implemented using a
cilliary motion, as can be seen in Fig. 14. This motion pattern
can produce the propulsion force profile proposed in Fig. 4;

Fig. 14.

A cilliary motion providing the body propulsion.

modeling, in order to estimate the necessary movements
strategy and propulsion forces; (ii) working on the preparation of the IPMC actuator, in order to acquire the knowhow of this material production; and (iii) studying the leg
mechanism design and control, to define the localization of the
joints/actuators and to define the adequate reference input of
the leg control system. The prototype development begins with
a rough steep motors leg, just for the movements sequence
analysis. The obtaining procedure of the IPMC-based actuator
devices was successfully completed, with promissory results in
terms of functioning features and microphotographic analysis.
These preliminary results point to a promissory future in the
project, showing an interesting option to develop alternative
design robotic machines. Considering our specific project, we
aim the construction of a robotic propulsion device based on
principles of the reduced size and weight, low energy requirements, softness of movements, and comprising an innovative
technology involving new materials and its recent issues,
specially the IPMC composed by Nafion R and Platinum.
ACKNOWLEDGEMENTS

Fig. 15.

The motion sequence of the leg's links.

consequently, we expect that it can provide the desired body
displacement.
Based on this cilliary motion, we can design a sequence
of leg's links motion using two joints (independently of the
joints nature). Four stages compose this sequence (Fig. 15):
a rotation of 1 between the superior link and the body
(Fig. 15-a) and a rotation of 1 between inferior and superior
links (Fig. 15-b) complete the recuperation (or legs retraction)
phase; the rotations of 2 and 2 (Fig. 15-c and Fig. 15-d)
complete the propulsion (or legs extension) phase.
V. C ONCLUSION
This article presents an overview of an robotics' project
concerning an aquatic propulsion device inspired in anuran amphibious. The study aims the adaptation of robots
locomotion in different environments, aquatic or terrestrial
ones. Taking into account two attractive objectives for robotic
machines, the miniaturization and the weight reduction, the
first study ideas point to the use of actuators made of ionomeric
polymers-metals composites (IPMC). These materials are electroactive polymers capable of producing deformation when
electrically stimulated. The electroactive polymers produce
soft movements similarly to biological muscles.
The biomechanics of the amphibious propulsion was modeled considering two phase movements, the retraction and
the extension of the legs. In this propulsion modeling, the
force generated in the extension phase is bigger that the drag,
including the negative propulsion in the retraction phase. The
numerical simulations results show that this proposed approach
can provide the robot locomotion.
In the first stage of the project, three main aspect are in
the research focus: (i) analyzing the mathematical propulsion

The authors acknowledge the support of Conselho Nacional
de Desenvolvimento Cient´ifico e Tecnol´ogico - CNPq (Brazil),
and Coordenac¸a~ o de Aperfeic¸oamento de Pessoal de N´ivel Superior - CAPES (Brazil), Fundac¸a~ o de Amparo a` Pesquisa do
Estado de Minas Gerais - FAPEMIG (Brazil), and Fundac¸a~ o
de Amparo a` Pesquisa do Estado de S~ao Paulo - FAPESP
(Brazil).
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