Los músculos artificiales obtuvieron ganancias significativas cuando un giro literal en el enfoque de desarrollo descubrió las capacidades de tracción (o estiramiento) de las fibras de polímero una vez que se torcieron y enrollaron en una geometría similar a un resorte. De manera similar a los poderosos zarcillos trepadores de las plantas de pepino, la geometría única le da a la bobina un movimiento de flexión cuando el material de la fibra se contrae, una reacción que se puede controlar con calor. Ahora, Los investigadores han mejorado estas propiedades de tracción aún más al centrarse en las propiedades térmicas de la fibra polimérica y la estructura molecular que hace un mejor uso de la configuración quiral.

En el artículo de portada que aparece esta semana en Letras de física aplicada , Guoqiang Li y su equipo en el Departamento de Ingeniería Mecánica e Industrial de la Universidad Estatal de Louisiana discuten cómo han desarrollado una nueva fibra que ofrece una carrera de tracción más alta y se activa (o acciona) a temperaturas más de 100 grados Celsius más frías que sus predecesoras.

"Analizamos el principio detrás de por qué la fibra de polímero, a través de torsión y enrollamiento, puede comportarse tan notablemente, "dijo Li, explicando su metodología. Según Li, encontraron dos factores impulsores:la naturaleza desenrollada de la fibra durante el accionamiento y el coeficiente negativo de expansión térmica (NCTE). La fibra de polímero con memoria de forma bidireccional (2W-SMP) que Li y su equipo desarrollaron abordaron ambos factores.

Cuando se trata del destornillador que impulsa a esta arquitectura quiral sobre quiral a flexionarse y contraerse, El grupo de Li se centró en este tema a nivel molecular. Las respuestas reversibles del polímero 2W-SMP que los hacen ideales provienen de una red molecular estable de enlaces cruzados químicos. La red proporciona cadenas de moléculas orientadas en el polímero cuya fusión y recristalización dan lugar a importantes características de memoria de la fibra.

La transición reversible de fusión / cristalización también proporcionó mejores propiedades de expansión térmica en comparación con las fibras estándar, donde la actuación proviene de la contracción intrínseca de los componentes del polímero en presencia de calor (y relajación cuando se elimina el calor). La fibra 2W-SMP demuestra una expansión / contracción térmica en un orden de magnitud más alto que el NCTE de sus predecesores.

Al abordar estas dos características, las fibras que Li produjo y probó en sus configuraciones de músculos retorcidos y luego enrollados mostraron una mayor actuación de tracción, pero también redujeron la temperatura necesaria para activar estas fibras musculares artificiales.

"La temperatura de actuación es muy alta en las fibras de polímero utilizadas anteriormente, por ejemplo, pueden llegar a 160 grados C, ", dijo Li." Para algunas aplicaciones, como dispositivos médicos, [la] temperatura de actuación es demasiado alta. Por lo tanto, debe encontrar una manera de reducirlo ". Eso es exactamente lo que hizo el grupo, reportando temperaturas máximas de actuación de 67 C.

La baja temperatura es significativa cuando se consideran una gran cantidad de aplicaciones relacionadas con la temperatura del cuerpo humano más allá de los dispositivos médicos. incluyendo tejidos transpirables y materiales autocurativos cuyas estructuras se adaptan a los cambios ambientales.

Li y su equipo aún enfrentan desafíos con el desempeño del trabajo específico de la fibra, así como con la eficiencia en la conversión de energía térmica en actuación, y buscar abordar estos problemas en el trabajo futuro. Un posible enfoque puede ser incorporar un refuerzo conductor en el material con nanotubos de carbono.

"Nuestro polímero es muy blando. Por lo tanto, agregando algo de refuerzo, como nanotubos de carbono, tendríamos dos beneficios, "Li dijo." El primero se convierte en director, eso significa que también podemos usar electricidad y hacer que active el comportamiento muscular. La otra es que el nanotubo de carbono aumentará la rigidez. "Una mayor rigidez significa un mejor almacenamiento de energía para la fibra, lo que a su vez aumenta la eficiencia de conversión de energía.