Músculos por Ultrassom: O Futuro da Robótica Flexível

Construindo Músculos Controlados por Som

Durante a maior parte da história, a energia mecânica era fornecida pelos músculos, sejam humanos ou animais. Só com o início da Revolução Industrial foi possível aproveitar a energia do vento (moinhos de vento), da água (moinhos de água e barragens) e da combustão (máquinas a vapor, motores de combustão).

Mas esses sistemas mecânicos eram sempre um tanto inferiores ao movimento natural, exigindo sistemas complexos e manutenção para alcançar uma liberdade de movimento relativamente limitada em comparação.

Isso ainda é um problema para robôs, que tendem a precisar de arranjos muito complexos de motores elétricos e software avançado para conseguir permanecerem em pé. O desafio geralmente é criar um movimento totalmente controlável e suficientemente flexível.

Portanto, como o músculo é uma forma tão superior de gerar movimento, os cientistas têm buscado criar uma variante artificial dele, que poderia ser alimentada por eletricidade. Até agora, os materiais propostos sempre ficaram aquém em desempenho, custos ou método de fabricação.

Isso pode mudar, graças a um novo design de músculo artificial proposto por pesquisadores da ETH Zürich (Suíça), da Universidade de Münster (Alemanha) e da Universidade de Nebraska‑Lincoln (EUA).

Eles publicaram no prestigiado jornal científico Nature¹, sob o título “Ultrasound-driven programmable artificial muscles”.

Como Funcionam os Músculos Movidos por Ultrassom

Os músculos funcionam aumentando ou diminuindo o comprimento do músculo, puxando o osso ao qual estão ligados.

Até agora, os músculos artificiais tentaram replicar essa ideia com vários tipos de materiais:

• Nanotubos de carbono
• Ligas com memória de forma
• Sistemas pneumáticos (ar) ou hidráulicos

Todos esses sistemas sofriam de falta de confiabilidade, controle fino, consumo de energia ou custos excessivamente altos.

“Métodos químicos frequentemente requerem combustíveis que podem ser tóxicos, sistemas baseados em luz sofrem de penetração limitada em tecidos e potencial dano térmico, e sistemas magnéticos exigem hardware volumoso enquanto correm risco de aquecimento por efeito Joule.”

Os pesquisadores deste estudo seguiram uma direção nova e diferente para controlar o músculo artificial: sons.

As Vantagens do Ultrassom

Seja para aplicações em robótica ou implantes biomédicos, os ultrassons têm a vantagem de ser um método de controle fácil de criar e totalmente não destrutivo.

Os ultrassons também são sem fio, remotos, atravessam inofensivamente camadas externas (incluindo tecidos orgânicos) e possuem alta seletividade espacial (direcionamento).

É também uma tecnologia comumente usada a baixo custo, inclusive em ambientes clínicos.

Portanto, de modo geral, os ultrassons são perfeitos para aplicações biomédicas e in vivo, mas também podem ser usados em outras áreas como a robótica, especialmente a chamada robótica flexível.

Os ultrassons estão se tornando cada vez mais populares entre os pesquisadores, que os utilizam para alimentar implantes médicos sem fio, para bioprintar tecidos vivos, e para biomonitoramento.

Materiais de Microbolhas em Músculos Artificiais

Neste estudo, os pesquisadores criaram um material contendo uma matriz de microbolhas fabricada com precisão, que, quando exposta à ressonância correta do ultrassom, faz o material dobrar.

Fonte: Nature

Ao variar o tamanho da matriz de microbolhas, pode-se mudar a frequência de ultrassom à qual uma determinada seção do material reage.

Fonte: Nature

Até agora, a força gerada pelo ultrassom em músculos artificiais era fraca demais para aplicações práticas. Mas este novo design é muito mais forte (7,6 μN/mm²), trazendo esse conceito para a vanguarda dos materiais potenciais de músculos artificiais.

Um molde de alta resolução foi criado com arrays de micropilares, padronizados em uma pastilha de silício usando litografia suave, para servir como moldes negativos para microcavidades cilíndricas.

Uma fina camada de polidimetilsiloxano (PDMS) foi então aplicada por spin coating na pastilha, criando o material de microbolhas desejado.

O material final formou um músculo artificial (3 cm × 0,5 cm × 80 μm), que contém mais de 10.000 microbolhas uniformes dentro de cavidades (diâmetro de 40 μm, profundidade de 50 μm).

Criando Movimento Controlado com Ultrassom

Como diferentes partes do material reagem a diferentes frequências, modular o ultrassom pode ser usado para criar um movimento de ondulação precisamente controlado, por exemplo. Os pesquisadores também testaram interações do material com o mundo real, usando-o para capturar uma larva de peixe, girar uma amêndoa ou mover uma lâmina de grama. Também demonstrou que o método era inofensivo para organismos vivos, sem aquecimento ou efeitos negativos dos ultrassons.

Os pesquisadores então testaram se o material poderia ser usado para prender e mover tecidos orgânicos. Para isso, testaram-no com um coração de porco. Os atuadores controlados por ultrassom permaneceram presos e continuaram em movimento, transferindo força ao tecido.

Fonte: Nature

Eles também testaram o potencial do material para entrega de fármacos, usando o ultrassom como gatilho para a liberação do material a partir do patch de microbolhas.

Movendo Robôs In‑Vivo

Por fim, a pesquisa criou um “mini‑bot de arraia” cujas ondulações podem controlar o movimento em um ambiente líquido.

Fonte: Nature

Eles então testaram com sucesso o movimento do bot-arraia dentro do estômago e intestino de um porco.

Ao ser liberado, o bot-arraia propulsiona-se para frente a uma velocidade inicial de cerca de 0,8 vezes o comprimento do corpo por segundo, demonstrando a capacidade do sistema de se mover dentro dos órgãos internos de um animal.

Fonte: Nature

No conjunto, esses experimentos confirmaram o potencial do material para uso in vivo em dispositivos sem fio e vestíveis.

Aplicações

O estudo focou em aplicações biomédicas potenciais, já que esta pode ser a aplicação mais direta da tecnologia. A robótica flexível está sendo cada vez mais usada para integrar materiais na medicina, por exemplo, entregando medicamentos anticâncer ou outros tratamentos ao órgão correto.

Este método também pode ser expandido para peças maiores, pelo menos até a escala de centímetros, e com muitos graus de liberdade de movimento.

Assim, no futuro, esses músculos artificiais poderiam ser usados em robótica, eletrônica flexível, tecnologias vestíveis, próteses, instrumentação biomédica, etc.

Melhorias adicionais também poderiam tornar esse conceito ainda mais poderoso e útil:

• Parece que cavidades trapezoidais convergentes podem gerar velocidades de fluxo aproximadamente 3 vezes maiores que formas divergentes. Portanto, a otimização geométrica e de densidade poderia criar atuadores com perfis de deformação personalizados.
• Uma fonte sonora confocal poderia alcançar deformação mais forte e direcionamento mais preciso de uma parte específica do músculo artificial.
• Hidrogéis e polímeros biodegradáveis também poderiam ser usados para mais aplicações biomédicas.

Deslize para rolar →

Investindo em HealthTech 

A Philips é uma marca de eletrônicos de consumo bem conhecida (aparelhos de barbear, escovas de dentes elétricas), igualmente ativa na área de saúde. Por exemplo, foi a número 1 em registro de patentes MedTech na Europa em 2022 e esteve entre as três primeiras nos anos seguintes.

Está ativa em produtos médicos conectados, desde vestíveis até imagens, respiradores e robôs médicos.

A empresa também atua em semicondutores (incluindo tecnologia maglev) e em alta tecnologia/robótica/automação, com cada atividade compartilhando uma base tecnológica comum.

Fonte: Philips

A Philips oferece vestíveis para métricas cardíacas, respiratórias e de atividade. Seus sensores podem ser integrados a smartwatches, monitores de saúde, patches médicos e rastreadores de atividade.

A expertise da Philips em sensores biocompatíveis, semicondutores e soluções sem fio pode torná‑la líder em implantes médicos avançados que utilizam ultrassom.

Para dispositivos médicos, a Philips prefere uma solução de parceria, onde desenvolve para terceiros seus dispositivos médicos IoT (Internet das Coisas) conectados, totalmente compatíveis com o restante das soluções da Philips. Nesse contexto, oferece aos clientes prototipagem, consultoria regulatória, desenvolvimento de produto de ponta a ponta e produção em escala industrial.

Isso faz da Philips uma empresa focada em tecnologia e uma provável candidata a integrar rapidamente novas inovações em dispositivos médicos já existentes. No total, os dispositivos da Philips impactavam diretamente mais de 1,8 bilhão de pessoas.

A empresa deseja criar um ambiente de saúde digital totalmente integrado, onde sensores se alinham aos dispositivos, e então usar múltiplas soluções de conectividade para integrar à solução Philips HealthSuite Cloud e permitir análises de dados aprofundadas.

Fonte: Philips

Como fornecedor da indústria MedTech, frequentemente fabricando para outras marcas, a Philips não é tão visível no setor quanto outras empresas mais proeminentes. No entanto, é especialista em construir dispositivos eletrônicos de alto desempenho e sensores, frequentemente ultrapassando os limites do que é possível em seu nicho de saúde e vestíveis.

Com vestíveis e eletrônicos médicos cada vez mais integrados aos protocolos de saúde e medicina, o segmento de Healthcare da Philips provavelmente crescerá como parte do conglomerado.

Últimas Koninklijke Philips N.V.( PHG) Notícias de Ações e Desenvolvimentos

Estudo Referenciado

^{1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Ultrasound-driven programmable artificial muscles. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3}