Desarrollan ‘músculos’ artificiales con una poderosa fuerza de tracción, útiles para dispositivos biomédicos


Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) han encontrado una manera de imitar el mecanismo de enrollar y tirar que utilizan los zarcillos de algunas plantas para encontrar un soporte, para producir fibras que se pueden contraer y que podrían utilizarse como músculos artificiales para robots, prótesis u otras aplicaciones mecánicas y biomédicas, según publican este jueves en ‘Science’.

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

Las nuevas fibras fueron desarrolladas por el postdoctorado del MIT Mehmet Kanik y la estudiante graduada Sirma Örgüç, trabajando con las profesoras Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan entre otras, usando una técnica de dibujo de fibra para combinar dos Polímeros diferentes en una sola hebra de fibra.


La clave del proceso es acoplar dos materiales que tienen coeficientes de expansión térmica muy diferentes, lo que significa que tienen diferentes tasas de expansión cuando se calientan.

Este es el mismo principio usado en muchos termostatos, por ejemplo, usando una tira bimetálica como una forma de medir la temperatura. A medida que el material unido se calienta, el lado que quiere expandirse más rápido es retenido por el otro material. Como resultado, el material adherido se enrolla hacia arriba, doblando hacia el lado que se está expandiendo más lentamente.

Similar a los zarzillos que producen los pepinos

Usando dos polímeros diferentes unidos entre sí, un elastómero de copolímero cíclico muy estirable y un polietileno termoplástico mucho más rígido, Kanik, Örgüç y sus colegas produjeron una fibra que, al estirarse varias veces su longitud original, se forma naturalmente en una bobina apretada, muy similar a los zarcillos que producen los pepinos.

Pero lo que sucedió después realmente sorprendió cuando los investigadores lo experimentaron por primera vez. “Hubo mucha casualidad en esto”, recuerda Anikeeva.

Tan pronto como Kanik recogió la fibra enrollada por primera vez, el calor de su mano solo hizo que la fibra se enroscara más fuertemente. Luego de esa observación, descubrió que incluso un pequeño aumento de la temperatura podría hacer que la bobina se tensara, produciendo una fuerza de tracción sorprendentemente fuerte. Luego, tan pronto como la temperatura volvió a bajar, la fibra volvió a su longitud original.

En las pruebas posteriores, el equipo demostró que este proceso de contratación y expansión podría repetirse 10.000 veces “y aún iba fuerte”, dice Anikeeva. Una de las razones de esa duración, dice, es que “todo funciona en condiciones muy moderadas”, incluidas las bajas temperaturas de activación. Solo un aumento de 1 grado Celsius puede ser suficiente para comenzar la contracción de la fibra.

Cargas de hasta 650 veces su peso

Las fibras pueden abarcar una amplia gama de tamaños, desde unos pocos micrómetros (millonésimas de metro) hasta unos pocos milímetros (milésimas de metro) de ancho, y pueden fabricarse fácilmente en lotes de hasta cientos de metros de longitud. Las pruebas han demostrado que una sola fibra es capaz de levantar cargas de hasta 650 veces su propio peso.

Para estos experimentos en fibras individuales, Örgüç y Kanik han desarrollado configuraciones de prueba miniaturizadas y dedicadas. El grado de ajuste que se produce cuando la fibra se calienta puede “programarse” determinando la cantidad de estiramiento inicial para dar la fibra. Esto permite que el material se sintonice exactamente a la cantidad de fuerza necesaria y la cantidad de cambio de temperatura necesaria para activar esa fuerza.

Las fibras se fabrican utilizando un sistema de estirado de fibras, lo que hace posible incorporar otros componentes en la propia fibra. El dibujo de la fibra se realiza creando una versión de gran tamaño del material, llamada preforma, que luego se calienta a una temperatura específica a la que el material se vuelve viscoso. Luego se puede estirar, al igual que estira el caramelo, para crear una fibra que retenga su estructura interna, pero es una pequeña fracción del ancho de la preforma.

Para propósitos de prueba, los investigadores cubrieron las fibras con mallas de nanocables conductores. Estas mallas se pueden usar como sensores para revelar la tensión exacta experimentada o ejercida por la fibra. En el futuro, estas fibras también podrían incluir elementos de calentamiento, como fibras ópticas o electrodos, que brindan una forma de calentarlos internamente sin tener que depender de ninguna fuente de calor externa para activar la contracción del “músculo”.

Algunas prótesis pueden pesar hasta 14 kilos

Dichas fibras podrían encontrar usos como accionadores en brazos, piernas o pinzas robóticas, y en extremidades protésicas, donde su ligero peso y sus rápidos tiempos de respuesta podrían proporcionar una ventaja significativa.

Algunas prótesis hoy en día pueden pesar hasta 14 kilos, y gran parte del peso proviene de los 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 pueden encontrar uso en pequeños dispositivos biomédicos, como un robot médico que funciona al entrar en una arteria y luego activarse -sugiere Anikeeva-. Tenemos tiempos de activación del orden de decenas de milisegundos a segundos, dependiendo de Las dimensiones”.

Para proporcionar mayor fuerza para levantar cargas más pesadas, las fibras se pueden agrupar, al igual que las fibras musculares se agrupan en el cuerpo. El equipo probó con éxito paquetes de 100 fibras.

Kanik cree que las posibilidades para este tipo de materiales son virtualmente ilimitadas, porque casi cualquier combinación de dos materiales con diferentes tasas de expansión térmica podría funcionar, dejando un vasto reino de combinaciones posibles para explorar. A su juicio, este nuevo hallazgo fue como abrir una nueva ventana, solo para ver “un montón de otras ventanas” que esperan ser abiertas. “La fuerza de este trabajo proviene de su simplicidad”, dice.



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