CIENTISTAS DESENVOLVEM MÚSCULOS ARTIFICIAIS DE CARBONO E CERA
(Versão expandida de reportagem publicada hoje no jornal O Estado de S. Paulo)
Herton Escobar / Estadão
Um "músculo artificial", feito de nanotubos de carbono revestidos com cera, 85 vezes mais forte do que um músculo humano, é a mais nova demonstração de força do ramo da nanotecnologia. O material, com capacidade para erguer sozinho até cem mil vezes o próprio peso, foi desenvolvido na Universidade do Texas em Dallas, nos Estados Unidos, em parceria com pesquisadores brasileiros, australianos, canadenses, chineses e sul-coreanos.
Apesar do nome, a invenção não se parece com um bíceps humano. O termo "músculo artificial" refere-se à capacidade do material de alterar sua forma quando estimulado e produzir força por meio da contração de filamentos - semelhante ao que ocorre num músculo humano; por exemplo, quando as fibras do bíceps se contraem para mover o braço, estimuladas eletricamente pelos nervos.
O material desenvolvido pela equipe de Dallas é essencialmente uma fibra retorcida de nanotubos de carbono revestidos com parafina. As inovações estão na estrutura helicoidal da fibra, que lhe permite aplicar forças lineares e rotacionais a um objeto quando contraída, e no fato de que essa contração pode ser induzida simplesmente por um estímulo térmico, produzido por uma corrente elétrica ou luminosa.
Vários vídeos demonstrativos, divulgados simultaneamente com a publicação do trabalho na revista Science (veja dois exemplos abaixo), mostram o "músculo" sendo contraído para erguer objetos, movimentar hélices e até para acionar uma pequena catapulta. Imagine algo como um fio de lã (só que muito mais fino e forte) pendurado ao teto e com um peso na ponta. Quando o fio é aquecido por meio de uma lâmpada incandescente ou de uma corrente elétrica, o calor faz instantaneamente com que ele se torça e diminua de comprimento, levantando o peso. E assim que a luz ou a eletricidade é desligada, ele "relaxa" de novo, podendo repetir o processo milhares e milhares de vezes sem sofrer danos.
"Combinamos as propriedades térmicas da cera com as propriedades mecânicas dos nanotubos de carbono", explica o engenheiro brasileiro Márcio Dias Lima, que faz pós-doutorado no Instituto de Nanotecnologia da universidade texana e é um dos autores principais do trabalho.
Propriedades. A vantagem dos nanotubos é que eles são extremamente leves, fortes e resistentes - proporcionalmente, 100 vezes mais fortes do que o aço. A vantagem da cera é a sua alta capacidade de expansão térmica. O movimento do "músculo" ocorre porque a cera derrete e expande quando aquecida e solidifica e retorna ao seu formato original quando resfriada, causando um efeito de contração e relaxamento da fibra, respectivamente. Tudo isso num piscar de olhos.
"A parafina fica retida no interior da fibra mesmo após a sua completa fusão (derretimento) devido a sua grande afinidade química com os nanotubos de carbono. O processo é completamente reversível e a fibra volta a sua forma inicial mesmo após milhões de ciclos de atuação", explica Lima.
Modelos anteriores de músculos artificiais de nanotubos de carbono precisavam estar imersos em algum tipo de solução eletroquímica para serem estimulados, o que limitava seriamente seu leque de aplicações práticas. "A gente até brincava que os robôs do futuro teriam de beber para conseguir andar", diz o pesquisador Douglas Galvão, do Departamento de Física Aplicada da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp). Ele foi um dos responsáveis pelo trabalho de modelagem da pesquisa, em parceria com seu aluno Leonardo Machado e o professor Alexandre Fonseca, da Universidade Estadual Paulista (Unesp) em Bauru. "A modelagem é extremamente importante para entender os processos e propor novos experimentos", explica Galvão.
Segundo Lima, o material ainda pode ser melhorado, mas já é comercialmente viável e funcional para aplicações em pequena escala, que não necessitam de grandes quantidades de fibra - já que um dos principais desafios do setor ainda é produzir nanotubos de carbono em escala industrial.
A lista de possíveis aplicações tecnológicas permeia diversas áreas, como a biomedicina, a robótica, o setor têxtil, energético, automotivo e aeroespacial. As fibras, por exemplo, poderiam ser substitutos leves e resistentes para uma série de sistemas mecânicos, rígidos e pesados, usados como "atuadores" (mecanismos geradores de força e movimento, como válvulas e bobinas) em veículos, aeronaves, e robôs de uma forma geral. Ou em tecidos e membranas inteligentes, capazes de se adaptar automaticamente a mudanças nas condições do ambiente.
Há muito interesse em aplicações militares, tanto que os dois principais financiadores da pesquisa nos EUA foram a Força Aérea e a Marinha.
Uma possibilidade tentadora, inspirada no nome do produto, seria desenvolver enxertos capazes de recuperar - ou até substituir - músculos humanos de verdade, para aplicações ortopédicas em vítimas de trauma ou doença. Lima, porém, diz que isso não é possível por enquanto. "O problema é que você precisa aquecer a fibra a temperaturas acima do tolerável pelo organismo", diz. "Para uso em próteses robóticas, porém, é algo totalmente viável".
Com a cera, o músculo funciona em temperaturas de até 250 °C, o que é suficiente para a maioria das aplicações em condições normais. Sem a cera (com uma fibra pura de carbono), essa tolerância varia de -50 até 2,5 mil °C - excelente para uso em condições extremas de frio ou calor; por exemplo, no caso de sondas espaciais enviadas a outros planetas ou luas -, só que a resposta de contração nesse caso é mais lenta. "A cera proporciona uma contração maior e mais rápida, mesmo com uma variação pequena de temperatura", explica Lima. O próximo desafio, segundo ele (que pretende ficar no Texas), é justamente desenvolver uma fibra que não precise ser aquecida para funcionar e com uma resistência mecânica ainda maior.
Outra brasileira, a engenheira de materiais Mônica de Andrade, também assina o trabalho pelo Instituto de Nanotecnologia da Universidade do Texas - Dallas.
