Los «músculos» artificiales logran una fuerza de tracción poderosa

A medida que crece una planta de pepino, brota zarcillos en espiral que buscan soportes para tirar de la planta hacia arriba. Esto asegura que la planta reciba la mayor exposición al sol posible. Ahora, los investigadores del MIT han encontrado una manera de imitar este mecanismo de enrollamiento y tracción para producir fibras contrayentes que podrían usarse como músculos artificiales para robots, prótesis u otras aplicaciones mecánicas y biomédicas.

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

Las nuevas fibras fueron desarrolladas por Mehmet Kanik postdoctorado del MIT y la estudiante graduada del MIT Sirma Örgüç, trabajando con los profesores Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan y C. Cem Taşan, y otros cinco, utilizando una técnica de dibujo 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 utilizado en muchos termostatos, por ejemplo, el uso de una tira bimetálica como forma de medir la temperatura. A medida que el material unido se calienta, el lado que quiere expandirse más rápido se retiene con el otro material. Como resultado, el material adherido se enrosca, doblándose hacia el lado que se expande más lentamente.

de Crédito: Cortesía de los investigadores

Utilizando dos polímeros diferentes unidos entre sí, un elastómero de copolímero cíclico muy elástico y un polietileno termoplástico mucho más rígido, Kanik, Örgüç y sus colegas produjeron una fibra que, cuando se estira 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 después en realidad fue una sorpresa cuando los investigadores lo experimentaron por primera vez. «Hubo mucha casualidad en esto», recuerda Anikeeva.

Tan pronto como Kanik recogió la fibra enrollada por primera vez, el calor de su mano solo hizo que la fibra se enrollara más firmemente. Siguiendo con 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 se podía repetir 10.000 veces «y que seguía siendo sólido», dice Anikeeva.

de Crédito: Cortesía de los investigadores

Una de las razones de esa longevidad, 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 en fibras individuales, Örgüç y Kanik han desarrollado configuraciones de prueba miniaturizadas dedicadas.

Crédito: Cortesía de los investigadores

El grado de apriete que se produce cuando se calienta la fibra se puede «programar» determinando cuánto de un estiramiento inicial se debe dar a la fibra. Esto permite que el material se ajuste exactamente a la cantidad de fuerza necesaria y a la cantidad de cambio de temperatura necesario para desencadenar esa fuerza.

Las fibras se fabrican utilizando un sistema de estirado de fibras, que permite incorporar otros componentes en la fibra misma. El dibujo de fibra se realiza creando una versión sobredimensionada del material, llamada preforma, que luego se calienta a una temperatura específica a la que el material se vuelve viscoso. Luego se puede tirar, al igual que tirar de caramelo, para crear una fibra que retiene su estructura interna, pero es una pequeña fracción del ancho de la preforma.

Para fines de prueba, los investigadores cubrieron las fibras con mallas de nanohilos conductores. Estas mallas se pueden utilizar como sensores para revelar la tensión exacta experimentada o ejercida por 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 exterior para activar la contracción del músculo.»

Tales fibras podrían ser utilizadas como actuadores en brazos robóticos, piernas o pinzas, y en extremidades protésicas, donde su ligero peso y tiempos de respuesta rápidos podrían proporcionar una ventaja significativa.

Algunas extremidades protésicas hoy en día pueden pesar hasta 30 libras, y gran parte del peso proviene de actuadores, que a menudo son neumáticos o hidráulicos; los actuadores de peso más ligero podrían hacer la vida mucho más fácil para aquellos que usan prótesis. Tales fibras también podrían 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, dice.

Para proporcionar una mayor fuerza para levantar cargas más pesadas, las fibras se pueden agrupar, al igual que las fibras musculares se agrupan en el cuerpo. El equipo probó con éxito paquetes de 100 fibras. A través del proceso de dibujo de fibras, también se podrían incorporar sensores en las fibras para proporcionar información sobre las condiciones que encuentran, como en una extremidad protésica. 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 para 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 campo de combinaciones posibles para explorar. Agrega que este nuevo hallazgo fue como abrir una nueva ventana, solo para ver «un montón de otras ventanas» esperando a ser abiertas.

«La fuerza de este trabajo proviene de su simplicidad», dice.

El equipo también incluyó al estudiante graduado del MIT Georgios Varnavides, al postdoctorado Jinwoo Kim y a los estudiantes de pregrado Thomas Benavides, Dani González y Timothy Akintlio. El trabajo fue apoyado por el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares y la Fundación Nacional de Ciencias.