Los "músculos" artificiales ejercen una poderosa fuerza de tracción

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A medida que crece una planta de pepino, produce zarcillos muy enrollados que buscan soportes para empujar la planta hacia arriba. Esto garantiza a la planta la mayor exposición posible al sol. Los investigadores del MIT ahora han encontrado una manera de imitar este mecanismo de enrollamiento y tracción para producir fibras contractivas que podrían usarse como músculos artificiales para robots, extremidades protésicas u otros. Aplicaciones mecánicas y biomédicas.

Aunque se han utilizado muchos enfoques diferentes para crear músculos artificiales, incluidos sistemas hidráulicos, servomotores, metales con memoria de forma y polímeros que responden a los estímulos, todos tienen limitaciones, como el alto peso o tiempos de respuesta lentos El nuevo sistema basado en fibra, por el contrario, es extremadamente ligero y puede reaccionar muy rápidamente, según los investigadores. Los resultados se informan hoy en el diario. ciencia.

Las nuevas fibras fueron desarrolladas por Mehmet Kanik, postdoctorado del MIT, y Sirma Örgüç, una estudiante graduada en el MIT. en una hebra de fibra.

La clave del proceso es ensamblar dos materiales con coeficientes de expansión térmica muy diferentes, lo que significa que tienen diferentes tasas de expansión cuando se calientan. Este es el mismo principio utilizado en muchos termostatos, por ejemplo, el uso de un bimetal como medio para medir la temperatura. A medida que el material de la junta se calienta, el otro material sujeta el lado que desea expandirse más rápidamente. Como resultado, el material unido se curva, doblándose hacia el lado que se expande más lentamente.

Crédito: cortesía de los investigadores.

Mediante el uso de dos polímeros diferentes unidos, un copolímero elastomérico cíclico altamente extensible y un polietileno termoplástico mucho más rígido, Kanik, Örgüç y sus colegas han producido una fibra que, cuando se estira varias veces su longitud. origen, naturalmente forma una bobina apretada, muy similar a los zarcillos producidos por los pepinos. Pero lo que sucedió después fue una sorpresa cuando los investigadores lo experimentaron por primera vez. "Había muchas posibilidades", recuerda Anikeeva.

Tan pronto como Kanik recogió la fibra enrollada por primera vez, solo el calor de su mano hizo que la fibra se tensara. Después de esta observación, descubrió que incluso un ligero aumento en la temperatura podría hacer que la bobina se tense, produciendo una fuerza de tracción sorprendentemente fuerte. Luego, tan pronto como la temperatura ha disminuido, la fibra ha recuperado su longitud original. En pruebas posteriores, el equipo demostró que este proceso de externalización y expansión podría repetirse 10,000 veces "y continuar", dijo Anikeeva.

Crédito: cortesía de los investigadores.

Una de las razones de esta longevidad, dice, es que "todo funciona en condiciones muy suaves", incluidas las bajas temperaturas de activación. Un simple aumento de 1 grado Celsius puede ser suficiente para desencadenar la contracción de la fibra.

Las fibras pueden cubrir una amplia gama de tamaños, desde unos pocos micrómetros (millonésimas de metro) a unos pocos milímetros (milésimas de metro) de ancho, y pueden fabricarse fácilmente en lotes de hasta cientos de metros de largo. Las pruebas han demostrado que una sola fibra puede levantar cargas hasta 650 veces su propio peso. Para estos experimentos en fibras individuales, Örgüç y Kanik han desarrollado instalaciones de prueba miniaturizadas dedicadas.

Crédito: cortesía de los investigadores.

El grado de apriete que se produce cuando la fibra se calienta puede "programarse" determinando la extensión del estiramiento inicial que se le dará a la fibra. Esto permite que el material se adapte a la cantidad de fuerza requerida y al cambio de temperatura necesario para activar esa fuerza.

Las fibras se fabrican utilizando un sistema de estiramiento de fibras que permite incorporar otros componentes a la fibra misma. La fibrización se realiza creando una versión sobredimensionada del material, llamada preforma, que luego se calienta a una temperatura específica a la que el material se vuelve viscoso. Luego se puede tirar, al igual que tirar, para crear una fibra que conserve su estructura interna pero que solo represente una pequeña fracción del ancho de la preforma.

Para fines de prueba, los investigadores cubrieron las fibras de malla con nanocables conductores. Estas mallas pueden usarse como sensores para revelar la tensión exacta que siente o ejerce la fibra. En el futuro, estas fibras también podrían incluir elementos calefactores como fibras ópticas o electrodos, que los calentarían internamente, sin recurrir a ninguna fuente de calor externa para activar la contracción del "músculo". .

Estas fibras podrían usarse como actuadores en brazos, piernas o fórceps robóticos, así como en prótesis, donde su bajo peso y su rápido tiempo de respuesta podrían ofrecer una ventaja significativa.

Hoy en día, algunas extremidades protésicas pueden pesar hasta 30 libras, gran parte del peso proviene de actuadores, que a menudo son neumáticos o hidráulicos; Los actuadores más ligeros podrían hacer la vida mucho más fácil para quienes usan prótesis. Dichas fibras también podrían encontrar aplicaciones en pequeños dispositivos biomédicos, como un robot médico que funciona al ingresar a una arteria y luego activarlas ", sugiere Anikeeva. "Tenemos tiempos de respuesta del orden de unas pocas decenas de milisegundos a segundos", según las dimensiones, dice ella.

Para proporcionar una mayor fuerza para levantar cargas más pesadas, las fibras se pueden agrupar de la misma manera que las fibras musculares se agrupan en el cuerpo. El equipo ha probado con éxito paquetes de 100 fibras. Durante el proceso de fibrización, los sensores también podrían incorporarse en las fibras para proporcionar información sobre las condiciones encontradas, por ejemplo, en una prótesis. Según Örgüç, las fibras musculares agrupadas con un mecanismo de retroalimentación de circuito cerrado podrían encontrar aplicaciones en sistemas robóticos donde se requiere un control automatizado y preciso.

Kanik indica que las posibilidades para este tipo de material son prácticamente ilimitadas, ya que casi cualquier combinación de dos materiales con diferentes tasas de expansión térmica podría funcionar, dejando una amplia gama de combinaciones posibles para explorar. Agregó que este nuevo descubrimiento significaba abrir una nueva ventana, pero que "varias otras ventanas" están esperando ser abiertas.

"La fuerza de este trabajo proviene de su simplicidad", dice.

El equipo también incluyó a Georgios Varnavides, estudiante graduado del MIT, Jinwoo Kim, posdoctoral, y Thomas Benavides, Dani Gonzalez y Timothy Akintlio, estudiantes de pregrado. El trabajo fue apoyado por el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares y la Fundación Nacional de Ciencias.

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