Enhancing robotic artificial muscle functionality: exploring piezoelectric properties of coordination polymers

Abstract

Los avances en las tecnologías prostéticas han llevado a mejoras significativas en la funcionalidad, pero aún persisten desafíos en términos de resistencia, adaptabilidad y mecanismos de actuación. Los enfoques tradicionales, a menudo dependientes de circuitos electrónicos y motores, luchan por replicar la flexibilidad y eficiencia de los sistemas biológicos. En respuesta, los investigadores se han dirigido a sistemas musculoesqueléticos inspirados biológicamente que incorporan materiales avanzados como polímeros con memoria de forma, aleaciones y materiales piezoeléctricos. Los materiales piezoeléctricos son especialmente prometedores debido a su alta eficiencia y ancho de banda, pero su aplicación ha estado limitada por bajas deformaciones de actuación. Mientras que se ha prestado mucha atención a las piezocerámicas bien establecidas, otras clases de materiales piezoeléctricos, como los polímeros, están ganando reconocimiento por su mayor flexibilidad mecánica y su potencial para un rendimiento mejorado en la actuación. Entre estos, los polímeros de coordinación representan una categoría nueva y prometedora. Este estudio investiga el potencial de los polímeros de coordinación como una solución, que combinan coeficientes piezoeléctricos mejorados con flexibilidad mecánica. Estos polímeros se sintetizaron utilizando nitrato de zinc, 2-metilimidazol y ácido cinámico, seguido de la integración en una matriz de ácido poliláctico. La caracterización estructural confirmó la coordinación bidentada del ácido cinámico, con la difracción de rayos X indexando las muestras en los grupos espaciales no centro simétricos C2 y P21, esenciales para el comportamiento piezoeléctrico. Se evaluó el sistema de medición piezoeléctrica, encontrando un valor de referencia de 15.70 μCN-1 para una muestra de PZT, lo que subrayó la importancia de la calibración del sistema. A pesar de las prometedoras propiedades estructurales, los compuestos que contenían un 0.5 % en peso de los polímeros de coordinación sintetizados no mostraron ningún efecto piezoeléctrico medible bajo fuerzas aplicadas de hasta 200 N. Estos hallazgos destacan la necesidad de investigar más a fondo el comportamiento piezoeléctrico del material y los factores que pueden estar inhibiendo su rendimiento en aplicaciones prácticas.