Investigadores crean un nuevo tipo de fibras similares a músculos nanoestructuradas

Imitar el cuerpo humano, específicamente los actuadores que controlan el movimiento muscular, es de gran interés en todo el mundo. En los últimos años, ha dado lugar a muchas innovaciones para mejorar la robótica, las prótesis y más, pero la creación de estos actuadores suele implicar procesos complejos, con materiales caros y difíciles de encontrar.

Investigadores de la Universidad de Texas en Austin y la Universidad Estatal de Pensilvania han creado un nuevo tipo de fibra que puede funcionar como un actuador muscular, en muchos aspectos mejor que otras opciones que existen en la actualidad. Y, lo que es más importante, estas fibras similares a músculos son fáciles de fabricar y reciclar.

En un nuevo artículo publicado en NaturalezaNano, los investigadores demostraron que estas fibras, que descubrieron inicialmente mientras trabajaban en otro proyecto, son más eficientes, flexibles y capaces de manejar una mayor tensión en comparación con lo que existe hoy en día. Estas fibras podrían usarse de diversas formas, incluidas la medicina y la robótica.

Básicamente, puedes construir una extremidad a partir de estas fibras en un robot que responda a los estímulos y devuelva energía, en lugar de usar un motor mecánico para hacer esto, y eso es bueno porque entonces tendrá un tacto más suave”.

Manish Kumar, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Civil, Arquitectónica y Ambiental de la Escuela de Ingeniería Cockrell y uno de los autores principales del artículo.

Este tipo de brazo robótico podría usarse en un exoesqueleto de asistencia para ayudar a las personas con brazos débiles a recuperar el movimiento y la fuerza. Otra aplicación potencial, dicen los investigadores, podría ser una especie de “vendaje de cierre automático” que podría usarse en procedimientos quirúrgicos y degradarse naturalmente dentro del cuerpo una vez que la herida sana.

“Los actuadores son cualquier material que cambiará o se deformará bajo cualquier estímulo externo, como partes de una máquina que se contraerá, doblará o expandirá”, dijo Robert Hickey, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State y autor correspondiente del artículo. . “Y para tecnologías como la robótica, necesitamos desarrollar versiones suaves y livianas de estos materiales que básicamente puedan actuar como músculos artificiales. Nuestro trabajo se trata realmente de encontrar una nueva forma de hacer esto”.

El material de fibra se conoce como copolímero de bloque. Crearlo solo requiere poner el polímero en un solvente y luego agregar agua. Una parte del polímero es hidrófila (atraída por el agua), mientras que la otra parte es hidrófoba (resistente al agua). Las partes hidrofóbicas del polímero se agrupan para protegerse del agua, creando la estructura de la fibra.

Las fibras existentes similares requieren una corriente eléctrica para estimular las reacciones que unen las partes. Este entrecruzamiento químico es más difícil de lograr, en comparación con la nueva fibra de los investigadores, que es una reacción mecánica, lo que significa que las partes se encargan de la mayor parte del trabajo por sí mismas. Otra ventaja añadida es que es sencillo invertir el proceso y devolver las piezas de la fibra a su estado original.

“La facilidad para fabricar estas fibras a partir del polímero y su reciclabilidad son muy importantes, y es un aspecto que gran parte de las otras investigaciones complicadas sobre músculos artificiales no cubren”, dijo Kumar.

Los investigadores encontraron que sus fibras eran un 75% más eficientes en términos de convertir energía en movimiento, capaces de manejar un 80% más de tensión y rotar con más velocidad y fuerza que los actuadores actuales. Y puede estirarse hasta más del 900 % de su longitud antes de romperse.

El descubrimiento se produjo mientras los investigadores estaban trabajando en otra cosa. Estaban tratando de usar estos polímeros para hacer membranas para la filtración de agua. Sin embargo, las estructuras que hicieron eran demasiado largas para las membranas. Se estiraron hasta cinco veces su longitud original y mantuvieron esa longitud. Los investigadores notaron que estas características eran similares al tejido muscular, por lo que decidieron cambiar el enfoque.

Los investigadores se encuentran en las primeras etapas del proyecto y luego planean aprender más sobre los cambios estructurales del polímero y mejorar algunas de las propiedades de actuación, incluida la densidad de energía y la velocidad. También pueden usar este mismo diseño técnico para crear actuadores que respondan a diferentes estímulos, como la luz.

Venkat Ganesan, profesor del Departamento de Ingeniería Química de McKetta y Rui Huang, profesor del Departamento de Ingeniería Aeroespacial e Ingeniería Mecánica, son los otros ingenieros de Texas del equipo. También en el equipo de Penn State están Chao Lang, Elisabeth Lloyd, Kelly Matuszewski y Yifan Xu. La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Fundación Nacional de Ciencias y Penn State financiaron la investigación.

Fuente:

Referencia de la revista:

Lang, C. et al. (2022) Músculos de copolímero de bloques nanoestructurados. Naturaleza Nanotecnología. doi.org/10.1038/s41565-022-01133-0.

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