Aplicações Recentes de Materiais Inteligentes

Atuando como parte de uma estrutura inteligente, os materiais piezelétricos têm sido largamente empregados para o Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM), controle de vibrações e supressão de ruídos em aeronaves e estruturas convencionais. A empresa Ultra Electronics Ltd (2009) desenvolve sistemas de controle ativo de vibração e ruído compostos por microfones, acelerômetros e alto-falantes, que juntos proporcionam uma maior comunicação com a cabine além de proporcionar um maior conforto para os passageiros.

Figura 2.11. Equipamentos utilizados no sistema de controle de vibração e ruído.

Atualmente é crescente a utilização de materiais inteligentes em artigos esportivos, que vêm sendo conhecidos como Intellifibers, ou Fibras Inteligentes. Uma aplicação bastante conhecida é em raquetes de tênis, figura (2.12a). O material adicionado na raquete, como mostra a figura (2.12b), juntamente com um sistema de controle via micro chips, permite que a energia mecânica produzida no impacto com a bola seja transformada em energia elétrica. Leva apenas um milésimo de segundo para esta energia atuar nas fibras da raquete aumentando sua rigidez. Desta forma, a energia do impacto é transferida para a bola, e ainda,

uma vez que energia elétrica não gera vibrações, há uma redução de cerca de 20% das vibrações do impacto. Isto certamente torna o equipamento mais poderoso e eficiente. Outro equipamento conhecido é o bastão de baseball inteligente, que possui o sistema chamado

Piezo Damper responsável por absorver parte da energia do impacto que seria transferida ao rebatedor. O bastão é conhecido como Smart Electrical Baseball Bat, figura (2.13).

(a) (b) Figura 2.12. (a) Raquetes de tênis que utilizam materiais inteligentes e (b) Detalhe das

intellifibers.

(Fonte: http://people.bath.ac.uk/vft20/Tennis%20web%20page.htm, acesso em 18/08/2009)

Figura 2.13. Bastão de Baisebol com sistema para atenuar vibrações. (Fonte: AKHRAS, 2000)

Além dos piezelétricos, materiais fluidos com propriedades elétricas e magnéticas também são conhecidos como materiais inteligentes. Denominados eletroreológicos (ER) e magnetoreológicos (MR) e apresentando inúmeras aplicações, estes materiais possuem suas

propriedades físicas alteradas na presença de campos elétricos ou magnéticos, respectivamente. Atualmente o fluido MR é utilizado em diversas áreas de pesquisa, que vai desde equipamento bélico até transporte neonatal. Em sua maioria, equipamentos que utilizam tais fluidos são projetados com o intuito de atenuar vibrações. Lavadoras de roupa já foram implementadas pela Lord Corporation com amortecimento a base de fluido MR para diminuição de ruído e melhoria do desempenho.

Nos Estados Unidos, a indústria automotiva aparece ativamente na busca e no desenvolvimento de dispositivos que utilizam fluidos MR. Particularmente notável é o desenvolvimento do sistema de suspensão ativa baseada em fluido MR chamada Magne-

RideTM . Esse sistema amortecedor é mostrado na figura a seguir.

Figura 2.14. Magne-RideTM : sistema de amortecimento utilizando fluido MR.

Outro tipo de material inteligente é baseado em Ligas de Memória de Forma (SMAs). SMAs são utilizadas em várias áreas, entre elas, a área médica e odontológica. A ortopedia tem explorado as propriedades das SMAs como, por exemplo, em luvas destinadas à fisioterapia (figura (2.15)) constituídas de fios com memória de forma na região dos dedos, que possuem a função de reproduzir a atuação dos músculos da mão, permitindo que ela se abra e se feche. O efeito de memória de forma reversível é explorado nessa situação, de tal forma que, quando a luva é aquecida, os fios se contraem fechando a mão. Quando a luva é resfriada, os fios retornam à posição inicial, abrindo a mão. A alternância destas condições, é responsável pelo exercício da musculatura.

Figura 2.15. Luva com memória de forma.

A utilização de aparelhos ortodônticos com memória de forma (figura (2.16)) se iniciou no ano de 1972, causando um impacto significativo na ortodontia. Os aparelhos com memória de forma exploram a pseudoelasticidade, podendo fornecer uma força de restituição uniforme e praticamente constante. As SMAs apresentam, durante os trechos de transformação de fase, elevados índices de deformação para uma pequena variação da tensão. Assim, o uso das SMAs em aparelhos ortodônticos elimina a necessidade de repetidos apertos, acelerando o processo corretivo. Esses aparelhos proporcionam um maior conforto aos pacientes durante a instalação e também no processo corretivo. Estima-se que cerca de trinta por cento dos aparelhos ortodônticos atuais são constituídos de ligas com memória de forma.

Figura 2.16. Aparelhos ortodônticos com fios de liga de memória de forma.

Atualmente, a busca por fontes alternativas de energia se torna cada vez mais necessária para assegurar o êxito do funcionamento de alguns dispositivos, uma vez que, devido aos seus posicionamentos remotos, o acesso a eles apenas para trocar a bateria pode se tornar uma tarefa muito cara, e até mesmo impraticável no caso de sensores embutidos (também quando implantados no interior de um ser vivo). Se houvesse uma maneira de obter

a energia dissipada no meio próximo ao dispositivo, então ela poderia ser utilizada para recarregar ou repor uma bateria. Nasce, então, o conceito Power Harvesting (colheita de energia), atribuído o ato de converter energia antes desperdiçada ou não utilizada em energia elétrica, através de conversores e armazená-la para mais tarde ser usada pelo equipamento.

Entre as diversas fontes de energia alternativa existentes, como o sol e o vento, o mais conveniente para a engenharia é o uso da energia mecânica dissipada a partir da vibração de estruturas e equipamentos. Assim, os estudos sobre estruturas eletromecanicamente acopladas são iniciados. Este tipo de estrutura são sistemas compostos formados por variáveis mecânicas e elétricas interligadas, dos quais o elemento central é a conversão de energia mecânica em elétrica e vice-versa (PREUMONT, 2006).

Um dos mais utilizados é o transdutor Piezelétrico. Esse material tem recebido maior atenção dentre outras técnicas de conversão por causa da sua capacidade de converter diretamente a energia devido à tensão aplicada em energia elétrica útil e pela facilidade com que pode ser integrado em um sistema. A idéia cativante de captar energia de tantos lugares diferentes chama cada vez mais atenção dos pesquisadores pelo mundo. A idéia de tirar proveito da energia dissipada durante a rotina humana é um quotidiano que tem facilitado o rápido crescimento do campo do Power Harvesting.

O Laboratório de Desenvolvimento Frontier Service e o Centro de Pesquisa e Desenvolvimento do grupo JR East estão desenvolvendo em conjunto com a Organização New Energy and Industrial Technology Development e com a Companhia JR East Consultants o "Power generating floor", ou um piso gerador de energia, que converte a energia das vibrações geradas por pessoas caminhando no chão em energia elétrica, mostrado na figura (2.17).

Figura 2.17. Mecanismo do Piso gerador de energia (retirada do relatório da East Japan Railway Company).

Os elementos piezelétricos incorporados no interior do pavimento transformam pressão e vibração em energia elétrica. JR East pretende instalar o "Power generating floor" nas catracas das estações de metrô onde há alto tráfego, utilizando a energia elétrica gerada para cobrir uma parte do consumo de energia por parte das catracas automáticas e dos dispositivos luminosos nos galpões.

Em pesquisas anteriores, o piso foi instalado na Estação Marunouchi North Exit de Tóquio (figura (2.18)).

Figura 2.18. Piso gerador de energia implantado na Estação Marunouchi North Exit em Tokyo em 2006 (retirada do relatório da East Japan Railway Company).

A produção de eletricidade atingiu um máximo de 10.000 watt-segundo por dia (equivalente à eletricidade necessária para acender uma lâmpada de 100W por 100 segundos). A partir da 3ª semana de experimento a produção de eletricidade diminuiu devido a uma degradação em durabilidade.

Novos testes foram realizados no período de 19 de janeiro de 2008 até o início de março, quando a empresa testou o piso em 90 catracas, na multidão, e em escadas, com melhorias como na estrutura interna de apoio e de proteção dos elementos piezelétricos com borracha. A produção de eletricidade foi superior em 10 vezes (por unidade de área de instalação) à obtida no experimento do ano anterior.

Enquanto isso, um mesmo tipo de piso foi desenvolvido, desta vez para ser utilizado nas chamadas “danceterias sustentáveis”. Trata-se da "pista de dança sustentável" formada por cristais piezelétricos que, quando deformados por pessoas dançando, liberam elétrons que migram através de uma chapa até a bateria, alimentando-a (figura (2.19)) (SUPERINTERESSANTE).

Figura 2.19. Pista de dança sustentável.

CAPÍTULO 3. MÉTODOS NÃO-DESTRUTIVOS DE IDENTIFICAÇÃO