Los músculos artificiales, materiales que se contraen y se expanden de manera similar a las fibras musculares, pueden tener muchas aplicaciones, desde robótica hasta componentes en las industrias automotriz y de aviación. Ahora, los investigadores del MIT han creado uno de los más simples y de menor costosistemas aún para desarrollar tales "músculos", en los que un material reproduce algunos de los movimientos de flexión que realizan los tejidos musculares naturales.
El ingrediente clave, barato y omnipresente, es la fibra de nylon común.
El nuevo enfoque para aprovechar este material básico de fibra sintética radica en dar forma y calentar las fibras de una manera particular, que se describe en un nuevo artículo en la revista Materiales avanzados por Seyed Mirvakili, un candidato a doctorado, e Ian Hunter, el profesor George N. Hatsopoulos en el Departamento de Ingeniería Mecánica.
Anteriormente, los investigadores habían ideado el principio básico de usar bobinas retorcidas de filamento de nylon para imitar la actividad muscular lineal básica. Mostraron que para un tamaño y peso determinados, tales dispositivos podrían extenderse y retraerse aún más, y almacenar y liberar más energía, que los músculos naturales. Pero los movimientos de flexión, como los de los dedos y las extremidades humanas, resultaron más desafiantes y aún no se habían logrado en un sistema simple y económico hasta el nuevo trabajo en el MIT.
Existen algunos materiales existentes que pueden usarse para producir este tipo de movimientos de flexión, que podrían ser útiles para algunos dispositivos biomédicos o pantallas táctiles. Sin embargo, esos tienden a usar "materiales exóticos para hacer el trabajo, y son muy carosy es muy difícil de fabricar ", dice Mirvakili. Por ejemplo, los hilos de nanotubos de carbono pueden proporcionar una gran longevidad más de un millón de ciclos de contracción lineal pero siguen siendo demasiado caros para un uso generalizado, y las aleaciones con memoria de forma proporcionan un fuerte tirón de contracción pero tienenun ciclo de vida pobre menos de 1,000 ciclos.
Barato y simple
El nuevo sistema basado en nylon, por el contrario, utiliza material barato y un proceso de fabricación simple, y demuestra muy buena longevidad en el ciclismo. Todo se reduce a cómo se forman las fibras de nylon.
Algunos materiales de fibra de polímero, incluido el nylon altamente orientado, tienen una propiedad inusual: cuando se calientan, "se encogen en longitud pero se expanden en diámetro", dice Mirvakili, y esta propiedad se ha aprovechado para fabricar algunos dispositivos actuadores lineales.ese movimiento de contracción lineal en la flexión generalmente requiere un mecanismo como una polea y un carrete de recogida, que agrega tamaño, complejidad y gasto adicionales. El avance del equipo del MIT fue aprovechar directamente el movimiento sin requerir piezas mecánicas adicionales.
Una de las limitaciones en los actuadores lineales hechos de tales materiales es que después de calentarse para provocar la contracción, tardan un tiempo en enfriarse nuevamente. "La velocidad de enfriamiento puede ser un factor limitante", dice Mirvakili. "Pero me di cuentapodría usarse como una ventaja ". El calentamiento selectivo de un lado de la fibra, dice, hace que ese lado comience a contraerse más rápido de lo que el calor puede penetrar al otro lado y, por lo tanto, puede producir un movimiento de flexión en la fibra".necesita una combinación de estas propiedades ", dice:" alta tensión [el tirón del movimiento de contracción] y baja conductividad térmica ".
Para que este sistema funcione de manera efectiva como un músculo artificial, la sección transversal de la fibra debe ser cuidadosamente moldeada. El equipo usó una línea de pesca de nylon común para comenzar, y la comprimió para cambiar su sección transversal de redonda a rectangular o cuadradaLuego, el calentamiento selectivo de un lado causó que la fibra se doblara en esa dirección. Cambiar la dirección del calentamiento también podría producir movimientos más complejos; en sus pruebas de laboratorio, el equipo utilizó esta técnica de calentamiento para hacer que las fibras se muevan en círculos y figura-ochos, y patrones de movimiento mucho más complejos podrían lograrse fácilmente, dicen.
Se pueden usar varias fuentes de calor en las fibras, incluido el calentamiento por resistencia eléctrica, reacciones químicas o un rayo láser que brilla en el filamento. Para algunas de sus pruebas, los investigadores usaron una pintura conductora especial aplicada a las fibras y mantenida encoloque mediante un aglutinante de resina; cuando se aplicó un voltaje al material, calentó selectivamente la porción de la fibra directamente debajo de la pintura, haciendo que la fibra se doblara de esa manera.
material de larga duración
Los investigadores han demostrado que el material puede mantener su rendimiento después de al menos 100,000 ciclos de doblado, y puede doblarse y retraerse a una velocidad de al menos 17 ciclos por segundo.
Hunter sugiere que, en última instancia, las aplicaciones para tales fibras podrían incluir ropa que se contrae para ajustarse perfectamente a los contornos de un cuerpo individual, reduciendo drásticamente la cantidad de tamaños diferentes que un fabricante necesitaría producir, al tiempo que mejora la comodidad y el ajuste. O,las fibras podrían usarse en zapatos que se apretarían al ponerse o ajustar su rigidez y forma durante cada zancada.
El sistema también puede permitir el uso de catéteres autoajustables u otros dispositivos biomédicos. Y a la larga, incluso podría conducir a sistemas mecánicos como paneles exteriores del vehículo que ajustan su forma aerodinámica para adaptarse a los cambios en la velocidad y las condiciones del viento,o sistemas de seguimiento automático para paneles solares que utilizarían el exceso de calor generado por los propios paneles para mantener los paneles dirigidos al sol.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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