Imágenes de contraste de interferencia diferencial (DIC) de fibras cristalizadas de tensión que son 1X-5X la longitud hidratada inicial. La imagen indica que la alineación de las fibras aumenta a lo largo del eje de la fibra al aumentar la relación de elongación. Crédito:Penn State
Inspirada en la estructura de los músculos, una nueva estrategia innovadora para crear actuadores de fibra podría conducir a avances en robótica, prótesis y ropa inteligente, según un equipo de científicos dirigido por Penn State que descubrió el proceso.
"Los actuadores son cualquier material que cambiará o se deformará bajo cualquier estímulo externo, como partes de una máquina que se contraerá, doblará o expandirá", dijo Robert Hickey, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. "Y para tecnologías como la robótica, necesitamos desarrollar versiones suaves y livianas de estos materiales que básicamente puedan actuar como músculos artificiales. Nuestro trabajo consiste realmente en encontrar una nueva forma de hacer esto".
El equipo desarrolló un proceso de dos pasos para fabricar actuadores de fibra que imitan la estructura de las fibras musculares y que sobresalen en varios aspectos en comparación con otros actuadores actuales, incluida la eficiencia, la tensión de actuación y las propiedades mecánicas. Informaron sus hallazgos hoy (2 de junio) en la revista Nature Nanotechnology .
"Este es un gran campo y hay muchas investigaciones interesantes, pero se ha centrado realmente en la ingeniería de materiales para optimizar las propiedades", dijo Hickey. "Lo que hace que nuestro trabajo sea emocionante es que realmente nos enfocamos en la conexión entre la química, la estructura y las propiedades".
Hickey dirigió anteriormente un equipo que producía materiales de hidrogel nanoestructurados autoensamblables. Los hidrogeles son redes de polímeros que pueden hincharse y retener grandes cantidades de agua manteniendo su estructura.
En la nueva investigación, los científicos descubrieron que las fibras hechas de este material de hidrogel pueden estirarse varias veces su longitud original cuando se hidratan y se endurecen y se fijan en la forma alargada cuando se secan en estado extendido. Agregar agua o calor permite que el material vuelva a su tamaño original, lo que lo hace prometedor para su uso como actuador, dijeron los científicos.
"Comenzamos a reconocer que estas fibras se estaban contrayendo y mostrando algunas propiedades realmente fascinantes", dijo Hickey. "Cuando comenzamos a caracterizar la estructura, nos dimos cuenta de que había cosas fundamentalmente interesantes aquí. Y comenzamos a reconocer que, en muchos sentidos, la estructura de estos músculos naturales imitaba o reflejaba".
Los materiales consisten en estructuras a nanoescala altamente alineadas con dominios cristalinos y amorfos alternos, que se asemejan al patrón ordenado y estriado del músculo esquelético de los mamíferos, dijeron los científicos.
Las excepcionales propiedades de estiramiento de los hidrogeles son el resultado de la combinación de dominios a nanoescala amorfos rígidos y poros a escala micrométrica llenos de agua. Cuando los hidrogeles se estiran, retroceden como una banda elástica. Si las fibras estiradas se secan en estado extendido, la red de polímero cristalizará y se bloqueará en la forma alargada de las fibras.
"Creemos que una de las razones fundamentales por las que tenemos estas propiedades excepcionales es que las fibras están organizadas con mucha precisión a escala nanométrica, de manera similar al sarcómero de un músculo humano", dijo Hickey. "Lo que sucede es que tienes una contracción uniforme. Estos dominios amorfos están todos organizados con precisión a lo largo de la fibra, y eso significa que se contraen en una sola dirección, lo que da lugar a esta capacidad de volver a ese estado original".
La aplicación de agua o calor a los materiales estirados derrite los cristales y permite que el material vuelva a su forma original. Cuando se estira hasta cinco veces su longitud original, el material puede volver al 80% de su tamaño y puede hacerlo durante muchos ciclos sin que disminuya el rendimiento, dijeron los científicos.
"El hecho de que podamos usar dos estímulos diferentes, calor y agua, para activar la activación abre el doble de posibilidades para los materiales fabricados con este método", dijo Hickey. "La mayoría de los actuadores se activan con un solo estímulo. Los estímulos duales abren la versatilidad de nuestros materiales". La técnica acelera la actuación térmica para la robótica suave
