A medida que crece una planta de pepino, Brota zarcillos muy enrollados que buscan apoyos para tirar de la planta hacia arriba. Esto asegura que la planta reciba la mayor cantidad de luz solar posible. Ahora, Los investigadores del MIT han encontrado una manera de imitar este mecanismo de enrollar y tirar para producir fibras contraídas que podrían usarse como músculos artificiales para robots. extremidades protésicas, u otras aplicaciones mecánicas y biomédicas.

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

Las nuevas fibras fueron desarrolladas por el postdoctorado del MIT Mehmet Kanik y la estudiante graduada del MIT Sirma Örgüç, trabajando con los profesores Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, y C. Cem Tasan, y otros cinco, utilizando una técnica de estirado de fibras para combinar dos polímeros diferentes en una sola hebra de fibra.

La clave del proceso es unir 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 que se utiliza en muchos termostatos, por ejemplo, utilizando una tira bimetálica como 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, inclinándose hacia el lado que se expande más lentamente.

Usando dos polímeros diferentes unidos entre sí, un elastómero copolímero cíclico muy estirable y un polietileno termoplástico mucho más rígido, Kanik, Örgüç y sus colegas produjeron una fibra que, cuando se estira a 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 a continuación en realidad fue una sorpresa cuando los investigadores lo experimentaron por primera vez. "Hubo mucha serendipia en esto, "Recuerda Anikeeva.

Tan pronto como Kanik recogió la fibra enrollada por primera vez, solo el calor de su mano hizo que la fibra se enroscara con más fuerza. Siguiendo esa observación, descubrió que incluso un pequeño aumento de temperatura podría hacer que la bobina se apriete, produciendo una fuerza de tracción sorprendentemente fuerte. Luego, tan pronto como la temperatura volvió a bajar, la fibra volvió a su longitud original. En pruebas posteriores, el equipo demostró que este proceso de contratación y expansión podría repetirse 10, 000 veces "y seguía siendo fuerte, "Dice Anikeeva.

Una de las razones de esa longevidad, ella 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 iniciar la contracción de la fibra.

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 se pueden fabricar fácilmente en lotes de hasta cientos de metros de largo. Las pruebas han demostrado que una sola fibra es capaz de levantar cargas de hasta 650 veces su propio peso. Para estos experimentos con fibras individuales, Örgüç y Kanik se han desarrollado dedicados, configuraciones de prueba miniaturizadas.

El grado de tensado que se produce cuando la fibra se calienta se puede "programar" determinando cuánto estiramiento inicial dar a la fibra. Esto permite que el material se ajuste exactamente a la cantidad de fuerza necesaria y la cantidad de cambio de temperatura necesario para activar esa fuerza.

Las fibras se fabrican mediante un sistema de trefilado, lo que permite incorporar otros componentes a la propia fibra. El dibujo de la fibra se realiza creando una versión de gran tamaño del material, llamado preforma, que luego se calienta a una temperatura específica a la que el material se vuelve viscoso. Luego se puede tirar, muy parecido a tirar caramelos, para crear una fibra que conserve su estructura interna pero que sea una pequeña fracción del ancho de la preforma.

Para propósitos de prueba, los investigadores recubrieron las fibras con mallas de nanocables conductores. Estas mallas se pueden utilizar como sensores para revelar la tensión exacta que experimenta o ejerce la fibra. En el futuro, estas fibras también podrían incluir elementos calefactores como fibras ópticas o electrodos, proporcionando una forma de calentarlo internamente sin tener que depender de ninguna fuente de calor externa para activar la contracción del "músculo".

Tales fibras podrían encontrar usos como actuadores en brazos robóticos, piernas, o pinzas, y en prótesis, donde su peso ligero y tiempos de respuesta rápidos podrían proporcionar una ventaja significativa.

Hoy en día, algunas prótesis pueden pesar hasta 30 libras, con gran parte del peso proveniente de los actuadores, que a menudo son neumáticos o hidráulicos; Los actuadores más livianos podrían hacer la vida mucho más fácil para quienes usan prótesis. Estas fibras también pueden encontrar usos en pequeños dispositivos biomédicos, como un robot médico que funciona entrando en una arteria y luego se activa, "Sugiere Anikeeva." Tenemos tiempos de activación del orden de decenas de milisegundos a segundos, "según las dimensiones, ella dice.

Para proporcionar mayor resistencia para levantar cargas más pesadas, las fibras se pueden agrupar, tanto como las fibras musculares se agrupan en el cuerpo. El equipo probó con éxito paquetes de 100 fibras. A través del proceso de estirado de fibras, Los sensores también podrían incorporarse en las fibras para proporcionar información sobre las condiciones que encuentran, como en una prótesis. Örgüç dice que las fibras musculares agrupadas con un mecanismo de retroalimentación de circuito cerrado podrían encontrar aplicaciones en sistemas robóticos donde se requiere un control automatizado y preciso.

Kanik dice que las posibilidades de materiales de este tipo son prácticamente ilimitadas, porque casi cualquier combinación de dos materiales con diferentes tasas de expansión térmica podría funcionar, dejando un vasto reino de posibles combinaciones para explorar. Agrega que este nuevo hallazgo fue como abrir una nueva ventana, solo para ver "un montón de otras ventanas" esperando ser abiertas.

"La fuerza de este trabajo proviene de su sencillez, " él dice.