I “muscoli” artificiali raggiungono una potente forza di trazione

Man mano che una pianta di cetriolo cresce, germoglia viticci strettamente arrotolati che cercano supporti per tirare la pianta verso l’alto. Ciò garantisce che la pianta riceva il maggior numero possibile di esposizione alla luce solare. Ora, i ricercatori del MIT hanno trovato un modo per imitare questo meccanismo di avvolgimento e trazione per produrre fibre contraenti che potrebbero essere utilizzate come muscoli artificiali per robot, arti protesici o altre applicazioni meccaniche e biomediche.

Mentre molti approcci diversi sono stati utilizzati per la creazione di muscoli artificiali, inclusi sistemi idraulici, servomotori, metalli a memoria di forma e polimeri che rispondono agli stimoli, tutti hanno limitazioni, tra cui peso elevato o tempi di risposta lenti. Il nuovo sistema a base di fibre, al contrario, è estremamente leggero e può rispondere molto rapidamente, dicono i ricercatori. I risultati sono stati riportati oggi sulla rivista Science.

Le nuove fibre sono state sviluppate dal MIT postdoc Mehmet Kanik e dallo studente laureato del MIT Sirma ÖrGüç, lavorando con i professori Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan e C. Cem Taşan e altri cinque, utilizzando una tecnica di disegno delle fibre per combinare due polimeri dissimili in un singolo filamento di fibra.

La chiave del processo è l’accoppiamento tra due materiali che hanno coefficienti di espansione termica molto diversi, il che significa che hanno tassi di espansione diversi quando vengono riscaldati. Questo è lo stesso principio utilizzato in molti termostati, ad esempio utilizzando una striscia bimetallica come metodo di misurazione della temperatura. Mentre il materiale unito si riscalda, il lato che vuole espandersi più velocemente viene trattenuto dall’altro materiale. Di conseguenza, il materiale legato si arriccia, piegandosi verso il lato che si sta espandendo più lentamente.

Credito: Per gentile concessione dei ricercatori

Utilizzando due diversi polimeri legati insieme, un elastomero copolimero ciclico molto estensibile e un polietilene termoplastico molto più rigido, Kanik, ÖrGüç e colleghi hanno prodotto una fibra che, quando allungata a più volte la sua lunghezza originale, si forma naturalmente in una bobina stretta, molto simile ai viticci prodotti dai cetrioli. Ma quello che è successo dopo in realtà è stato una sorpresa quando i ricercatori l’hanno sperimentato per la prima volta. “C’era molta serendipità in questo”, ricorda Anikeeva.

Non appena Kanik ha raccolto la fibra arrotolata per la prima volta, il calore della sua mano da solo ha causato la fibra a rannicchiarsi più strettamente. Seguendo questa osservazione, ha scoperto che anche un piccolo aumento della temperatura potrebbe far stringere la bobina, producendo una forza di trazione sorprendentemente forte. Quindi, non appena la temperatura è tornata giù, la fibra è tornata alla sua lunghezza originale. Nei test successivi, il team ha dimostrato che questo processo di contrazione ed espansione potrebbe essere ripetuto 10.000 volte “e stava ancora andando forte”, dice Anikeeva.

Credito: Per gentile concessione dei ricercatori

Una delle ragioni di quella longevità, dice, è che “tutto funziona in condizioni molto moderate”, comprese le basse temperature di attivazione. Solo un aumento di 1 grado Celsius può essere sufficiente per avviare la contrazione della fibra.

Le fibre possono estendersi su una vasta gamma di dimensioni, da pochi micrometri (milionesimi di metro) a pochi millimetri (millesimi di metro) di larghezza e possono essere facilmente prodotte in lotti lunghi fino a centinaia di metri. I test hanno dimostrato che una singola fibra è in grado di sollevare carichi fino a 650 volte il proprio peso. Per questi esperimenti su singole fibre, ÖrGüç e Kanik hanno sviluppato configurazioni di test dedicate e miniaturizzate.

Credito: Per gentile concessione dei ricercatori

Il grado di serraggio che si verifica quando la fibra viene riscaldata può essere “programmato” determinando quanto di un tratto iniziale per dare la fibra. Ciò consente al materiale di essere sintonizzato esattamente sulla quantità di forza necessaria e sulla quantità di variazione di temperatura necessaria per innescare tale forza.

Le fibre sono realizzate utilizzando un sistema di disegno della fibra, che consente di incorporare altri componenti nella fibra stessa. Il disegno della fibra viene eseguito creando una versione sovradimensionata del materiale, chiamata preforma, che viene quindi riscaldata ad una temperatura specifica alla quale il materiale diventa viscoso. Può quindi essere tirato, proprio come tirare taffy, per creare una fibra che mantiene la sua struttura interna, ma è una piccola frazione della larghezza della preforma.

A scopo di test, i ricercatori hanno rivestito le fibre con maglie di nanofili conduttivi. Queste maglie possono essere utilizzate come sensori per rivelare la tensione esatta sperimentata o esercitata dalla fibra. In futuro, queste fibre potrebbero includere anche elementi riscaldanti come fibre ottiche o elettrodi, fornendo un modo di riscaldarlo internamente senza dover fare affidamento su alcuna fonte di calore esterna per attivare la contrazione del “muscolo”.”

Tali fibre potrebbero trovare usi come attuatori in braccia robotiche, gambe o pinze, e negli arti protesici, dove il loro leggero peso e tempi di risposta rapidi potrebbero fornire un vantaggio significativo.

Alcuni arti protesici oggi possono pesare fino a 30 libbre, con gran parte del peso proveniente da attuatori, che sono spesso pneumatici o idraulici; attuatori più leggeri potrebbero quindi rendere la vita molto più facile per coloro che utilizzano protesi. Tali fibre potrebbero anche trovare usi in piccoli dispositivi biomedici, come un robot medico che funziona entrando in un’arteria e quindi attivandosi”, suggerisce Anikeeva. “Abbiamo tempi di attivazione dell’ordine di decine di millisecondi a secondi”, a seconda delle dimensioni, dice.

Per fornire una maggiore resistenza per il sollevamento di carichi più pesanti, le fibre possono essere raggruppate insieme, tanto quanto le fibre muscolari sono raggruppate nel corpo. Il team ha testato con successo fasci di fibre 100. Attraverso il processo di disegno della fibra, i sensori potrebbero anche essere incorporati nelle fibre per fornire un feedback sulle condizioni che incontrano, come in un arto protesico. ÖrGüç afferma che le fibre muscolari in bundle con un meccanismo di feedback a circuito chiuso potrebbero trovare applicazioni in sistemi robotici in cui sono necessari controlli automatizzati e precisi.

Kanik afferma che le possibilità per materiali di questo tipo sono praticamente illimitate, perché quasi qualsiasi combinazione di due materiali con diversi tassi di espansione termica potrebbe funzionare, lasciando un vasto regno di possibili combinazioni da esplorare. Aggiunge che questa nuova scoperta è stata come aprire una nuova finestra, solo per vedere “un sacco di altre finestre” in attesa di essere aperte.

“La forza di questo lavoro viene dalla sua semplicità”, dice.

Il team includeva anche lo studente laureato del MIT Georgios Varnavides, il postdoc Jinwoo Kim e gli studenti universitari Thomas Benavides, Dani Gonzalez e Timothy Akintlio. Il lavoro è stato sostenuto dal National Institute of Neurological Disorders and Stroke e dalla National Science Foundation.