El pull-up un ejercicio temido por la mayoría, responde una pregunta básica:¿son sus músculos lo suficientemente fuertes como para levantar su propio peso corporal?

Algunos investigadores de Illinois que trabajan con músculos artificiales están viendo resultados que incluso las personas más aptas envidiarían. diseñar músculos capaces de levantar hasta 12, 600 veces su propio peso.

Profesor asistente de ciencia mecánica e ingeniería Sameh Tawfick, Beckman Beckman Beckman Caterina Lamuta, y Simon Messelot publicaron recientemente un estudio sobre cómo diseñar músculos artificiales súper fuertes en la revista Materiales y estructuras inteligentes . Los nuevos músculos están hechos de caucho de siloxano reforzado con fibra de carbono y tienen una geometría enrollada.

Estos músculos son capaces no solo de levantar hasta 12, 600 veces su propio peso, pero también soporta hasta 60 MPa de tensión mecánica, proporcionando carreras de tracción superiores al 25% y trabajos específicos de hasta 758 J / kg. Esta cantidad es 18 veces mayor que el trabajo específico que los músculos naturales son capaces de producir. Cuando se acciona eléctricamente, Los músculos artificiales basados ​​en fibra de carbono muestran un rendimiento excelente sin requerir un alto voltaje de entrada:los autores mostraron cómo un haz de músculos de 0.4 mm de diámetro es capaz de levantar medio galón de agua en 1.4 pulgadas con solo 0.172 V / cm de voltaje aplicado.

"La gama de aplicaciones de estos músculos artificiales de bajo costo y peso ligero es realmente amplia e involucra diferentes campos como la robótica, prótesis, ortesis, y dispositivos de asistencia humana, ", Dijo Lamuta." El modelo matemático que propusimos es una herramienta de diseño útil para adaptar el rendimiento de los músculos artificiales en espiral de acuerdo con las diferentes aplicaciones. Es más, el modelo proporciona una comprensión clara de todos los parámetros que juegan un papel importante en el mecanismo de actuación, y esto alienta los trabajos de investigación futuros hacia el desarrollo de nuevas tipologías de músculos en espiral reforzados con fibras con propiedades mejoradas ".

Los propios músculos artificiales son bobinas compuestas de fibras de carbono comerciales y polidimetilsiloxano (PDMS). Una estopa de fibras de carbono se sumerge inicialmente en PDMS sin curar diluido con hexano y luego se retuerce con un simple taladro para crear un hilo con una forma homogénea y un radio constante. Después del curado del PDMS, el hilo compuesto recto se retuerce mucho hasta que esté completamente enrollado.

"Los músculos enrollados se inventaron recientemente utilizando hilos de nailon, ", Dijo Tawfick." Pueden ejercer grandes golpes de actuación, lo que los hace increíblemente útiles para aplicaciones en dispositivos de asistencia humana:si tan solo pudieran hacerse mucho más fuertes ".

El equipo estableció el objetivo de transformar las fibras de carbono, un material ligero muy resistente que está disponible comercialmente, en músculos artificiales.

"Para utilizar fibras de carbono, teníamos que entender el mecanismo de contracción de los músculos enrollados. Una vez que descubrimos la teoría, aprendimos cómo transformar las fibras de carbono en músculos ultra fuertes. Simplemente llenamos los cables de fibra de carbono con el tipo adecuado de caucho de silicona, y su actuación fue impresionante, precisamente lo que habíamos apuntado, "Dijo Tawfick. Este estudio demuestra que la contracción muscular es causada por un aumento en el radio del hilo muscular debido a la expansión térmica o la absorción de solvente de la limadura de silicona". Los músculos se flexionan cuando el caucho de silicona empuja localmente las fibras separándolas dentro de la estopa. , aplicando un voltaje, calor o hinchazón por un disolvente. La presión interna ejercida por el caucho de silicona sobre las fibras hace que el diámetro de la estopa se expanda y se desenrolle provocando una carrera de contracción a lo largo ".

Durante la caracterización experimental, Se aplicó un voltaje de CC a los extremos de la bobina para inducir el calentamiento del material compuesto y, a su vez, provocar la activación por tracción. Se arregló el extremo superior de la bobina, mientras que una carga estaba unida a la parte inferior para crear tensión. El trazo de tracción fue capturado por una cámara de cine, y analizado fotograma a fotograma. La actuación de tracción también se indujo a través de la hinchazón a través de hexano líquido suministrado al músculo enrollado.

¿Pueden estos músculos flexionarse aún más? logrando trazos más grandes? La estrecha concordancia entre las predicciones matemáticas y la realización experimental proporciona confianza para responder a esta pregunta. El equipo descubrió que la activación de tracción de los músculos en espiral artificiales puede estar limitada por la capacidad del material huésped (silicona) para expandirse, un límite impuesto por las propiedades de degradación térmica del material huésped. Esto explica por qué los músculos activados por la hinchazón tienen mayores tensiones de activación, pueden hincharse más que los músculos inducidos por el calor. El modelo teórico propuesto por los autores arroja luz sobre cómo diseñar material invitado que podría habilitar músculos con un rendimiento aún más impresionante.