Nuevos músculos artificiales adaptables hechos de un hilo de lana de una sola hélice

Una ilustración de la construcción jerárquica del equipo de músculos artificiales de hilo de lana independientes para textiles inteligentes sensibles a la humedad. Crédito:Peng et al.

En los últimos años, los científicos de materiales han diseñado una amplia gama de materiales innovadores que podrían usarse para crear nuevas tecnologías, incluidos robots blandos, controladores y textiles inteligentes. Estos materiales incluyen músculos artificiales, estructuras que se asemejan a los músculos biológicos en su forma y que podrían mejorar los movimientos de los robots o permitir la creación de ropa que se adapte a diferentes condiciones ambientales.

Como parte de un proyecto en curso centrado en actuadores blandos basados en textiles, un equipo de investigadores de la Universidad de Jiangnan en China desarrolló recientemente nuevos músculos artificiales basados en hilo de lana de una sola hélice independiente. Sus músculos artificiales, presentados en un artículo publicado en Smart Materials and Structures , podría usarse para producir de manera fácil y económica actuadores retorcidos que puedan detectar y responder a la humedad en su entorno.

"Estamos tratando de diseñar actuadores flexibles y versátiles aprovechando el diseño de la estructura jerárquica de los textiles, que van desde microescalas (por ejemplo, cadenas moleculares y estructuras de agregación) hasta macroescalas (por ejemplo, morfología de fibra y arquitecturas textiles)", Fengxin Sun, uno de los investigadores que llevaron a cabo el estudio, le dijeron a Tech Xplore. "Conseguir un músculo artificial a base de hilo con una arquitectura independiente y de una sola hélice a través de un proceso de fabricación fácil y respetuoso con el medio ambiente sigue siendo un desafío".

El objetivo principal del trabajo reciente de Sun y sus colegas fue superar algunos de los desafíos comunes que se enfrentan al diseñar músculos artificiales basados en hilo (es decir, hilo hilado). En particular, estudios anteriores han demostrado que torcer hilo de manera confiable para crear estructuras de músculos artificiales independientes sin usar productos químicos o procesos nocivos no es una tarea fácil.

Sin embargo, los investigadores de la Universidad de Jiangnan pudieron identificar una estrategia de tratamiento ecológica para la producción confiable de músculo a base de hilo de una sola hélice. Su método de fabricación se basa en una combinación de iluminación ultravioleta y grabado con plasma, una técnica de procesamiento de plasma que se usa a menudo para producir circuitos integrados.

Esta técnica de procesamiento puede limitar la disipación de energía de las fibras de lana, mejorando así el rendimiento de actuación de los músculos artificiales. Además, es eficaz, escalable y fácil de implementar, por lo que podría ser ideal para fabricar estas estructuras similares a músculos a nivel industrial.

"Los músculos artificiales de hilo de lana que creamos muestran una actuación torsional reversible cuando se exponen alternativamente a ambientes húmedos y secos", explicó Sun. "Los músculos del hilo muestran una actuación torsional impresionante al mojarse, como resultado de la expansión higroscópica amplificada de las lanas altamente torcidas. La morfología helicoidal solidificada en las lanas resultante de las redes de disulfuro reformadas dota a los hilos de lana con un 'efecto de memoria de forma'. '"

Debido al enfoque único de diseño y fabricación utilizado por los investigadores, el hilo que forma su estructura de músculo artificial puede recuperar su forma helicoidal original después de secarse, sin requerir la integración de un resorte externo. En las pruebas iniciales, los músculos basados en hilo de una sola hélice exhibieron una activación reversible y sensible a la humedad, así como un alto rendimiento de activación de la humedad con una menor disipación de energía.

Sorprendentemente, el proceso de fabricación empleado por Sun y sus colegas también es ecológico, ya que no requiere aditivos químicos ni tóxicos. Como sus músculos artificiales están hechos de lana, que es intrínsecamente biodegradable y renovable, podrían usarse para crear tecnologías más sostenibles y textiles inteligentes.

"Las estructuras de una sola hélice generalmente se consideran inestables y propensas a destorcerse sin ataduras de torsión externas, pero aquí aprovechamos el efecto de atadura interna de los puentes disulfuro reformados en el estado de estructura helicoidal de las lanas para estabilizar las torsiones insertadas en los músculos del hilo a través de la luz ultravioleta. iluminación y autooxidación", dijo Sun. "Tal estrategia es completamente ecológica y mejora en gran medida el rendimiento de actuación de los músculos de hilo de lana".

En el futuro, el trabajo reciente de este equipo de investigadores podría inspirar el desarrollo de nuevos actuadores basados en hilo y músculos artificiales para robots que puedan producirse de forma sostenible, a costes razonables y a gran escala. Además, el hilo de lana de una sola hélice que produjeron podría usarse para crear textiles cómodos, transpirables, no tóxicos y agradables para la piel para ropa inteligente, equipo de campamento inteligente y otros productos textiles inteligentes.

"En la próxima etapa de nuestra investigación, exploraremos la ruta hacia la fabricación industrial de nuestros músculos artificiales, para realizar su producción en masa y promover la innovación tecnológica hacia la aplicación comercial de los músculos de hilo en textiles inteligentes", agregó Sun. "Imaginando una camisa, el hilo puede adaptarse a diferentes condiciones climáticas al cambiar las detenciones de aire en la tela de manera inteligente, eso sería fascinante. Esperamos que este tipo de ropa esté disponible en nuestra vida diaria a un bajo costo". + Explora más