Los científicos de materiales de UCLA y sus colegas del instituto de investigación científica sin fines de lucro SRI International han desarrollado un nuevo material y proceso de fabricación para crear músculos artificiales que son más fuertes y flexibles que sus contrapartes biológicas.

"Crear un músculo artificial para permitir el trabajo y detectar la fuerza y ​​el tacto ha sido uno de los grandes desafíos de la ciencia y la ingeniería", dijo Qibing Pei, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería UCLA Samueli y autor correspondiente de un estudio publicado recientemente en Science .

Para que un material blando se considere para su uso como músculo artificial, debe poder generar energía mecánica y permanecer viable en condiciones de alta tensión, lo que significa que no pierde fácilmente su forma y fuerza después de ciclos de trabajo repetidos. Si bien muchos materiales se han considerado candidatos para fabricar músculos artificiales, los elastómeros dieléctricos (DE), materiales livianos con alta densidad de energía elástica, han sido de especial interés debido a su flexibilidad y dureza óptimas.

Los elastómeros dieléctricos son polímeros electroactivos, que son sustancias naturales o sintéticas compuestas de moléculas grandes que pueden cambiar de tamaño o forma cuando son estimuladas por un campo eléctrico. Se pueden utilizar como actuadores, lo que permite que las máquinas funcionen transformando la energía eléctrica en trabajo mecánico.

La mayoría de los elastómeros dieléctricos están hechos de acrílico o silicona, pero ambos materiales tienen inconvenientes. Si bien los DE acrílicos tradicionales pueden lograr una alta tensión de actuación, requieren un estiramiento previo y carecen de flexibilidad. Las siliconas son más fáciles de hacer, pero no pueden soportar una gran tensión.

Utilizando productos químicos disponibles comercialmente y empleando un proceso de curado con luz ultravioleta (UV), el equipo de investigación dirigido por UCLA creó un material acrílico mejorado que es más flexible, ajustable y más fácil de escalar sin perder su fuerza y ​​resistencia. Si bien el ácido acrílico permite que se formen más enlaces de hidrógeno, lo que hace que el material sea más móvil, los investigadores también ajustaron la reticulación entre las cadenas de polímeros, lo que permitió que los elastómeros fueran más suaves y flexibles. La película de elastómero dieléctrico de alto rendimiento, fina y procesable resultante, o PHDE, se intercala entre dos electrodos para convertir la energía eléctrica en movimiento como un actuador.

Cada película de PHDE es tan delgada y liviana como un cabello humano, de aproximadamente 35 micrómetros de espesor, y cuando se apilan varias capas, se convierten en un motor eléctrico en miniatura que puede actuar como tejido muscular y producir suficiente energía para impulsar el movimiento de pequeños robots o sensores. Los investigadores han hecho pilas de películas PHDE que varían de cuatro a 50 capas.

"Este actuador flexible, versátil y eficiente podría abrir las puertas a los músculos artificiales en las nuevas generaciones de robots, o en sensores y tecnología portátil que pueden imitar con mayor precisión o incluso mejorar el movimiento y las capacidades humanas", dijo Pei.

Artificial muscles fitted with PHDE actuators can generate more megapascals of force than biological muscles and they also demonstrate three to 10 times more flexibility than natural muscles.

Multilayered soft films are usually manufactured via a "wet" process that involves depositing and curing liquid resin. But that process can result in uneven layers, which make for a poor- performing actuator. For this reason, up to now, many actuators have only been successful with single-layer DE films.

The UCLA research involves a "dry" process by which the films are layered using a blade and then UV-cured to harden, making the layers uniform. This increases the actuator's energy output so that the device can support more complex movements.

The simplified process, along with the flexible and durable nature of the PHDE, allows for the manufacture of new soft actuators capable of bending to jump, like spider legs, or winding up and spinning. The researchers also demonstrated the PHDE actuator's ability to toss a pea-sized ball 20 times heavier than the PHDE films. The actuator can also expand and contract like a diaphragm when a voltage is switched on and off, giving a glimpse of how artificial muscles could be used in the future.

The advance could lead to soft robots with improved mobility and endurance, and new wearable and haptic technologies with a sense of touch. The manufacturing process could also be applied to other soft thin-film materials for applications including microfluidic technologies, tissue engineering or microfabrication. + Explora más

A unimorph nanocomposite dielectric elastomer for large-scale actuation