A tecnologia, desenvolvida por pesquisadores da Universidade de Cambridge, baseia-se em compósitos de metal líquido e grafeno – uma forma bidimensional de carbono. Essa "pele" permite que robôs detectem não apenas a força com que pressionam um objeto, mas também a direção das forças aplicadas, se um objeto está escorregando e até mesmo a rugosidade de uma superfície, em uma escala tão pequena que rivaliza com a resolução espacial da ponta dos dedos humanos. Os resultados foram publicados na revista Nature Materials .

Os dedos humanos dependem de múltiplos tipos de mecanorreceptores para sentir pressão, força, vibração e textura simultaneamente. Reproduzir esse nível de percepção tátil multidimensional em sistemas artificiais é um desafio significativo, especialmente em dispositivos que sejam pequenos e duráveis o suficiente para uso prático.

“A maioria dos sensores táteis existentes são muito volumosos, muito frágeis, muito complexos de fabricar ou incapazes de distinguir com precisão entre forças normais e tangenciais”, disse o professor Tawfique Hasan, do Cambridge Graphene Centre, que liderou a pesquisa. “Isso tem sido uma grande barreira para alcançar uma manipulação robótica verdadeiramente precisa.”

Para superar esse problema, a equipe de pesquisa desenvolveu um material compósito macio e flexível, combinando folhas de grafeno, microgotículas de metal deformáveis e partículas de níquel, incorporadas em uma matriz de silicone.

Inspirados pelas microestruturas encontradas na pele humana, os pesquisadores moldaram o material em minúsculas pirâmides, algumas com apenas 200 micrômetros de diâmetro. Essas estruturas piramidais concentram a tensão em suas pontas, permitindo que o sensor detecte forças extremamente pequenas, mantendo uma ampla faixa de medição.

O resultado é um sensor tátil sensível o suficiente para detectar um grão de areia. Comparado com os sensores táteis flexíveis existentes, o novo dispositivo melhora o tamanho e os limites de detecção em aproximadamente uma ordem de magnitude.

O sensor também consegue distinguir forças de cisalhamento de pressão normal, uma capacidade que lhe permite detectar quando um objeto começa a deslizar. Ao medir os sinais de quatro eletrodos sob cada pirâmide, o sensor consegue reconstruir matematicamente o vetor de força tridimensional completo em tempo real.

Em demonstrações, a equipe integrou os sensores em garras robóticas. Os robôs conseguiram agarrar objetos frágeis, como tubos de papel finos, sem esmagá-los. Ao contrário dos sensores de força convencionais, que dependem de informações prévias sobre as propriedades de um objeto, o novo sistema se adapta em tempo real por meio da detecção de deslizamento.

Em escalas ainda menores, conjuntos de microssensores poderiam identificar a massa, a geometria e a densidade do material de minúsculas esferas metálicas, analisando a magnitude e a direção da força. Isso abre caminho para aplicações em cirurgia minimamente invasiva ou microrrobótica, onde os sensores de força convencionais são muito grandes.

Além da robótica, a tecnologia pode ter implicações significativas para próteses. Membros artificiais avançados dependem cada vez mais do feedback tátil para proporcionar aos usuários a sensação de tato. Sensores de força 3D miniaturizados e altamente sensíveis podem permitir interações mais naturais com objetos, melhorando o controle, a segurança e a confiança do usuário.

“Nossa abordagem demonstra que estruturas mecânicas volumosas ou sistemas ópticos complexos não são necessários para alcançar sensores táteis 3D de alta resolução”, afirmou o autor principal, Dr. Guolin Yun, ex-bolsista Newton International da Royal Society em Cambridge e atualmente professor na Universidade de Ciência e Tecnologia da China. “Ao combinar materiais inteligentes com estruturas inspiradas na pele, alcançamos um desempenho notavelmente próximo ao toque humano.”

Olhando para o futuro, os pesquisadores acreditam que os sensores poderão ser miniaturizados ainda mais, potencialmente abaixo de 50 micrômetros, aproximando-se da densidade de mecanorreceptores na pele humana. Versões futuras poderão também integrar sensores de temperatura e umidade, aproximando-se de uma pele artificial totalmente multimodal.

À medida que os robôs saem cada vez mais dos ambientes controlados das fábricas e entram em casas, hospitais e cenários imprevisíveis do mundo real, esses avanços na tecnologia de toque podem ser transformadores, permitindo que as máquinas não apenas vejam e ajam, mas que realmente sintam.

Um pedido de patente foi submetido através da Cambridge Enterprise, o braço de inovação da Universidade. A pesquisa foi apoiada pela Royal Society, pelo Henry Royce Institute e pela Advanced Research and Invention Agency (ARIA). Tawfique Hasan é membro do Churchill College, em Cambridge.