Un filamento se sujeta en el extremo superior y se preestira en una pequeña cantidad aplicando una carga axial hacia abajo en el extremo inferior. Luego se retuerce el extremo inferior, manteniendo constante la carga axial en el extremo inferior. Después de insertar una cantidad crítica de torsión, el filamento se dobla espontáneamente en una loopy. Crédito:Nicholas Charles / Harvard SEAS
Los músculos artificiales impulsarán los robots blandos y los dispositivos portátiles del futuro. Pero es necesario comprender más sobre la mecánica subyacente de estas poderosas estructuras para diseñar y construir nuevos dispositivos.
Ahora, Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson han descubierto algunas de las propiedades físicas fundamentales de las fibras musculares artificiales.
"Filamentos finos y suaves que se pueden estirar fácilmente, curva, torsión o cizallamiento son capaces de deformaciones extremas que conducen a nudos, estructuras en forma de trenza o en forma de bucle que pueden almacenar o liberar energía fácilmente, "dijo L. Mahadevan, la Profesora Lola England de Valpine de Matemática Aplicada, de Biología Organísmica y Evolutiva, y de Física. "Esto ha sido explotado recientemente por varios grupos experimentales para crear prototipos de fibras musculares artificiales. Pero cómo la topología, La geometría y la mecánica de estas delgadas fibras se unen durante este proceso no estaba del todo claro. Nuestro estudio explica los principios teóricos que subyacen a estas transformaciones de forma, y arroja luz sobre los principios de diseño subyacentes ".
"Las fibras blandas son la unidad básica de un músculo y podrían usarse en todo, desde robótica hasta textiles inteligentes que pueden responder a estímulos como el calor o la humedad, "dijo Nicholas Charles, un doctorado estudiante de Matemática Aplicada y primer autor del artículo. "Las posibilidades son infinitas, si podemos entender el sistema. Nuestro trabajo explica la compleja morfología de los blandos, fibras fuertemente estiradas y retorcidas y proporciona pautas para los mejores diseños ".
Se sujeta un filamento en el extremo superior y se preestira aplicando una carga axial hacia abajo en el extremo inferior. Después de insertar una cantidad crítica de torsión, el filamento se dobla espontáneamente en una forma conocida como solenoide. Crédito:Nicholas Charles / Harvard SEAS
La investigación se publica en Cartas de revisión física .
Fibras blandas, o filamentos, se puede estirar, esquilada doblada o torcida. Cómo interactúan estas diferentes acciones para formar nudos, trenzas y hélices es importante para el diseño de actuadores suaves. Imagínese estirar y girar una banda de goma lo más fuerte que pueda. A medida que el giro se vuelve más y más apretado, parte de la banda saldrá del avión y comenzará a girar alrededor de sí misma en una bobina o nudo. Estas bobinas y bucles, en la forma correcta, se puede aprovechar para accionar la fibra anudada.
Los investigadores encontraron que diferentes niveles de estiramiento y torsión dan como resultado diferentes tipos de formas complejas no planas. Caracterizaron qué formas conducen a bucles retorcidos, que para apretar bobinas, y cuál a una mezcla de los dos. Descubrieron que el preestirado es importante para formar bobinas, ya que estas formas son las más estables bajo estiramiento, y modeló cómo se pueden utilizar tales bobinas para producir trabajo mecánico.
"Esta investigación nos brinda una forma sencilla de predecir cómo responderán los filamentos blandos a la torsión y el estiramiento, "dijo Charles.
"Avanzando, nuestro trabajo también puede ser relevante en otras situaciones que involucren filamentos enredados, como en los rizos del cabello, dinámica de polímeros y dinámica de líneas de campo magnético en el sol y otras estrellas, "dijo Mahadevan.
