Bahan/material piezoelektrik telah lama dihargai karena kemampuannya untuk menghasilkan listrik ketika diberi tekanan mekanis. Sifat unik ini telah menyebabkan penggunaannya secara luas dalam sensor, perangkat medis, dan teknologi pemanen energi. Tapi bisakah bahan-bahan ini dikendalikan dari jarak jauh dengan menggunakan medan magnet? Meskipun, sepengetahuan kami, saat ini tidak ada bahan piezoelektrik alami yang menunjukkan kemampuan ini, penelitian ilmiah menunjukkan bahwa bahan sintetis dapat dirancang untuk melakukannya. Kemajuan dalam pemodelan matematis dan simulasi numerik membawa kemungkinan ini semakin dekat dengan kenyataan.
Penggunaan medan magnet mungkin cukup untuk menstabilkan benda piezoelektrik di sekitar bentuk yang diinginkan. Kemungkinan ini mengarah langsung ke kendali jarak jauh perangkat piezoelektrik.
Abdou sene
Bagaimana piezoelektrik menggerakkan teknologi modern
Bahan piezoelektrik berubah bentuk ketika terkena medan elektromagnetik dan menghasilkan muatan listrik ketika mengalami tekanan mekanis. Fenomena ini pertama kali didemonstrasikan pada tahun 1880 oleh Jacques dan Pierre Curie. Lebih dari tiga dekade kemudian, Paul Langevin dan rekan-rekannya menerapkan prinsip ini dalam teknologi sonar, yang menandai salah satu penggunaan praktis pertama piezoelektrik. Saat ini, perangkat piezoelektrik memainkan peran penting dalam bidang kedirgantaraan, teknik otomotif, teknologi biomedis, dan bahkan barang sehari-hari seperti korek api listrik. Bahan-bahan ini digunakan untuk mengontrol bentuk sayap pesawat, mengukur tekanan pada struktur mekanis, dan meningkatkan kinerja organ buatan.
Perkembangan terbaru berfokus pada penggunaan baru, seperti memanen energi dari langkah kaki pejalan kaki. Ubin lantai khusus dapat mengubah energi kinetik menjadi listrik, menyalakan lampu LED dalam waktu singkat. Menurut penelitian oleh Pavegen, satu langkah kaki dapat menghasilkan energi yang cukup untuk menyalakan lampu selama 20 detik. Dengan ribuan langkah yang dilakukan setiap hari, teknologi ini memiliki potensi untuk memberikan dampak yang signifikan terhadap pembangunan perkotaan yang berkelanjutan.
Dalam infrastruktur perkotaan, sensor piezoelektrik yang tertanam di jalan dapat memantau arus dan arah lalu lintas, memberikan data yang berharga untuk perencanaan transportasi dan manajemen keselamatan. Pada saat yang sama, upaya terus dilakukan untuk meningkatkan daya tahan sistem ini. Karena bahan piezoelektrik secara alami rapuh, para peneliti berusaha keras untuk meningkatkan daya tahannya. Dengan mencapai hal ini, jalan raya pemanen energi tidak hanya inovatif tetapi juga layak secara ekonomi.
Tantangan kerapuhan material dan perbaikan yang sedang berlangsung
Salah satu tantangan utama dalam teknologi piezoelektrik adalah kerapuhan material. Untuk adopsi yang luas dalam infrastruktur, seperti pemanenan energi lalu lintas jalan raya, bahan-bahan ini harus cukup tahan lama agar sesuai dengan umur jalan raya, yang biasanya antara 15 dan 20 tahun.
Para ilmuwan telah membuat kemajuan dalam memperkuat bahan piezoelektrik dengan memodifikasi struktur kristalnya. Proses ini, yang dikenal sebagai doping, memasukkan atom-atom baru ke dalam material. Contoh yang terkenal adalah modifikasi keramik titanat timbal zirkonat, yang dikembangkan pada tahun 1952 dan digunakan secara luas dalam transduser dan aktuator. Baru-baru ini, para peneliti telah mengeksplorasi bahan piezoelektrik yang didoping samarium, yang menunjukkan potensinya untuk meningkatkan kinerja dalam penggunaan di masa depan.
Upaya juga dilakukan untuk mengembangkan alternatif bebas timbal. Meskipun bahan piezoelektrik berbasis timbal sangat efektif, bahan ini menimbulkan risiko lingkungan. Para peneliti sedang mengembangkan opsi yang kompatibel dengan biologi dan ramah lingkungan, seperti kalium natrium niobat, yang bisa lebih aman dan berkelanjutan.
Model matematika membentuk masa depan
Matematika memainkan peran penting dalam memajukan penelitian piezoelektrik. Model matematika membantu memprediksi bagaimana material ini berperilaku dalam kondisi yang berbeda, memandu para ilmuwan dalam merancang penggunaan yang lebih efektif. Karena bahan piezoelektrik sering digunakan sebagai tambalan tipis yang menempel pada permukaan, pemodelan yang akurat diperlukan untuk memastikan efisiensi.
Para peneliti telah mengembangkan beberapa model untuk menggambarkan perilaku pelat piezoelektrik. Satu penelitian terbaru meneliti bagaimana bahan-bahan ini dapat dioptimalkan untuk digunakan dalam implan biomedis. Sebagai contoh, alat pacu jantung saat ini bergantung pada baterai lithium yang memerlukan penggantian setiap tujuh tahun (Gambar 1). Penelitian terhadap implan bertenaga piezoelektrik menunjukkan bahwa alat pacu jantung di masa depan dapat ditenagai oleh gerakan alami jantung manusia, sehingga tidak memerlukan penggantian baterai.
Para ilmuwan juga menggunakan model matematika untuk mensimulasikan kinerja material piezoelektrik dalam kondisi ekstrem, seperti tekanan tinggi atau perubahan suhu yang cepat. Pengetahuan ini sangat penting untuk penerapan dalam eksplorasi ruang angkasa dan teknologi laut dalam, di mana material harus berfungsi dengan baik dalam kondisi lingkungan yang keras.
Kredit. Khazaee M dkk, Mesin-mesin mikro, 2024
Dapatkah medan magnet mengendalikan gerakan?
Para peneliti sekarang sedang mengeksplorasi apakah bahan piezoelektrik dapat dikontrol dari jarak jauh menggunakan medan magnet. Konsep ini melibatkan pengubahan energi magnetik menjadi gerakan mekanis, yang memungkinkan kekuatan eksternal untuk mempengaruhi bentuk dan perilaku bahan-bahan ini.
Sebuah penelitian terbaru menyelidiki apakah medan magnet dapat menstabilkan benda piezoelektrik yang bergetar. Dengan menerapkan persamaan matematika untuk memperkirakan energi getaran, para peneliti berhasil menunjukkan bahwa medan magnet dapat membuat benda yang bergetar menjadi diam. Ini berarti bahwa kendali jarak jauh bahan piezoelektrik menggunakan medan magnet dapat dilakukan tanpa perlu kontak fisik secara langsung.
Untuk mencapai hal ini, para ilmuwan mengembangkan hukum kontrol berdasarkan faktor-faktor seperti kerapatan muatan listrik internal dan kerapatan arus permukaan. Temuan mereka menunjukkan bahwa menggunakan medan magnet saja mungkin cukup untuk mengatur gerakan bahan-bahan ini. Terobosan ini membuka kemungkinan untuk perangkat yang dikendalikan dari jarak jauh di berbagai bidang seperti robotika, kedokteran, dan teknik kedirgantaraan.
Dalam bidang kedokteran, kemampuan untuk memanipulasi elemen piezoelektrik kecil menggunakan medan magnet dapat menghasilkan kemajuan besar dalam pengiriman obat yang ditargetkan. Robot mikroskopis yang dilengkapi dengan aktuator piezoelektrik dapat dipandu ke area tubuh tertentu, melepaskan obat dengan kontrol yang tepat. Hal ini dapat meningkatkan pengobatan untuk kondisi seperti kanker, di mana terapi yang ditargetkan sangat penting untuk meminimalkan efek samping.
Apa langkah selanjutnya untuk inovasi piezoelektrik?
Meskipun penelitian telah mengkonfirmasi kelayakan mengendalikan bahan piezoelektrik dengan medan magnet, penelitian lebih lanjut diperlukan untuk menyempurnakan prosesnya. Para ilmuwan sedang mencari cara untuk mengoptimalkan hukum kontrol dan meningkatkan efisiensi untuk berbagai macam bahan. Bidang penelitian penting lainnya adalah pengembangan model dua dimensi dari lapisan tipis piezoelektrik, yang dapat menghasilkan penggunaan yang ringan dan fleksibel dalam teknologi yang dapat dikenakan dan bioelektronika.
Implikasi dari temuan ini melampaui teori ilmiah. Jika bahan piezoelektrik dapat dimanipulasi dari jarak jauh, maka akan muncul kemungkinan-kemungkinan baru untuk implan pintar yang dapat menyesuaikan diri dengan tubuh manusia, komponen pesawat terbang yang dapat berubah bentuk di tengah penerbangan, atau bahan yang dapat menyembuhkan diri sendiri dan merespons perubahan lingkungan.
Kemajuan di masa depan dalam bidang ini juga dapat berperan dalam eksplorasi ruang angkasa. Aktuator piezoelektrik yang merespons medan magnet dapat membantu membangun struktur pesawat ruang angkasa yang dapat menyesuaikan diri dengan perubahan kondisi di luar angkasa. Hal ini dapat mengurangi kebutuhan pemeliharaan dan meningkatkan umur panjang misi luar angkasa.
Masa depan piezoelektrik masih terus berkembang. Dengan penelitian yang sedang berlangsung, dapatkah kita segera melihat benda sehari-hari yang bergerak dan beradaptasi hanya dengan menggunakan medan magnet? Potensi penerapannya sangat luas, dan kemungkinannya baru saja mulai dieksplorasi.
🔬🧫🧪🔍🤓👩🔬🦠🔭📚
Referensi jurnal
Bidouan, R., Sène, A., & Marcos, A. (2024). Exponential stabilisation of piezoelectric materials via an electromagnetic field. International Journal of Control, 1-13. https://doi.org/10.1080/00207179.2024.2423873
