Artificial “músculos” alcançar poderosa força de tração

Como um pepino planta cresce, brota emaranhado de tentáculos que buscar apoios para puxar a planta para cima. Isto garante que a planta recebe a maior exposição solar possível. Agora, pesquisadores do MIT encontraram uma maneira de imitar este mecanismo de enrolar e puxar para produzir fibras que poderiam ser usadas como músculos artificiais para Robôs, membros protéticos, ou outras aplicações mecânicas e Biomédicas.Embora muitas abordagens diferentes tenham sido usadas para criar músculos artificiais, incluindo sistemas hidráulicos, motores de servo, metais de forma-memória e polímeros que respondem a estímulos, todos eles têm limitações, incluindo tempos de resposta altos ou lentos. O novo sistema baseado em fibra, pelo contrário, é extremamente leve e pode responder muito rapidamente, dizem os pesquisadores. As descobertas estão sendo relatadas hoje na revista Science.

O novo fibras foram desenvolvidos pelo MIT e pós-doutorado pela Mehmet Kanik e MIT estudante de pós-graduação Sirma Örgüç, trabalhando com os professores Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, e C. Cem Taşan, e cinco outras pessoas, usando uma fibra-técnica de desenho para combinar dois diferentes polímeros em um único fio de fibra.

A chave para o processo é o acasalamento de dois materiais que têm coeficientes de expansão térmica muito diferentes — o que significa que eles têm taxas de expansão diferentes quando são aquecidos. Este é o mesmo princípio usado em muitos termóstatos, por exemplo, usando uma tira bimetálico como uma forma de medir a temperatura. À medida que o material Unido aquece, o lado que quer se expandir mais rápido é retido pelo outro material. Como resultado, o material colado enrola-se, dobrando-se para o lado que está se expandindo mais lentamente.

Crédito: Cortesia dos investigadores

Usando dois diferentes polímeros coladas, muito elástico cíclica de copolímero de elastômero e muito mais aguerrida termoplásticos de polietileno, Kanik, Örgüç e colegas produziram uma fibra que, quando estendeu a várias vezes o seu comprimento original, forma naturalmente em um apertado bobina, muito semelhantes a tentáculos que pepinos produzir. Mas o que aconteceu a seguir realmente veio como uma surpresa quando os pesquisadores experimentaram pela primeira vez. “Havia muita serendipidade nisso”, lembra Anikeeva.Assim que Kanik pegou a fibra enrolada pela primeira vez, o calor de sua mão sozinho fez com que a fibra se enrolasse mais firmemente. Seguindo essa observação, ele descobriu que mesmo um pequeno aumento de temperatura poderia fazer a bobina apertar, produzindo uma força de puxamento surpreendentemente forte. Então, assim que a temperatura voltou para baixo, a fibra voltou ao seu comprimento original. Em testes posteriores, a equipe mostrou que este processo de contratação e expansão poderia ser repetido 10 mil vezes “e ainda estava indo forte”, diz Anikeeva.

Crédito: Cortesia dos pesquisadores

uma das razões para essa longevidade, ela diz, é que “tudo está operando sob condições muito moderadas”, incluindo baixas temperaturas de ativação. Apenas um aumento de 1 grau Celsius pode ser suficiente para iniciar a contração da fibra.

As fibras podem abranger uma ampla gama de tamanhos, a partir de alguns micrômetros (milionésimos de metro) de alguns milímetros (milésimos de um metro) de largura, e pode ser facilmente fabricados em lotes de até centenas de metros de comprimento. Testes têm mostrado que uma única fibra é capaz de levantar cargas de até 650 vezes o seu próprio peso. Para estes experimentos em fibras individuais, Örgüç e Kanik desenvolveram configurações dedicadas e miniaturizadas.

Crédito: Cortesia de investigadores

O grau de aperto, que ocorre quando a fibra é aquecido, pode ser “programado” por determinar o quanto de um trecho inicial para dar a fibra. Isto permite que o material seja ajustado exatamente à quantidade de força necessária e à quantidade de mudança de temperatura necessária para desencadear essa força.

as fibras são feitas usando um sistema de desenho de fibras, o que torna possível incorporar outros componentes na própria fibra. O desenho de fibras é feito através da criação de uma versão gigante do material, chamada de préforme, que é então aquecido a uma temperatura específica em que o material se torna viscoso. Ele pode então ser puxado, muito como puxar taffy, para criar uma fibra que mantém a sua estrutura interna, mas é uma pequena fração da largura do pré-formados.

para fins de teste, os pesquisadores revestiram as fibras com malhas de nanowires condutores. Estas malhas podem ser usadas como sensores para revelar a tensão exata experimentada ou exercida pela fibra. No futuro, essas fibras também podem incluir elementos de aquecimento como fibras ópticas ou eletrodos, proporcionando uma maneira de aquecê-lo internamente, sem ter que confiar em qualquer fonte externa de calor para ativar a contração do “músculo”.”

tais fibras podem encontrar usos como atuadores em braços robóticos, pernas, ou gripas, e em membros protéticos, onde seu peso leve e tempo de resposta rápida pode fornecer uma vantagem significativa.Alguns membros protéticos hoje podem pesar até 30 libras, com grande parte do peso vindo de atuadores, que são muitas vezes pneumáticos ou hidráulicos; atuadores mais leves poderiam, assim, tornar a vida muito mais fácil para aqueles que usam próteses. Essas fibras também podem encontrar usos em pequenos dispositivos biomédicos, como um robô médico que funciona entrando em uma artéria e, em seguida, sendo ativado”, sugere Anikeeva. “Temos tempos de ativação na ordem de dezenas de milissegundos a segundos”, dependendo das dimensões, diz ela.

para proporcionar maior força para levantar cargas mais pesadas, as fibras podem ser agrupadas, tanto quanto as fibras musculares são agrupadas no corpo. A equipe testou com sucesso pacotes de 100 fibras. Através do processo de desenho de fibras, os sensores também podem ser incorporados nas fibras para fornecer feedback sobre as condições que encontram, como em um membro protético. Örgüç diz que as fibras musculares agrupadas com um mecanismo de feedback de circuito fechado podem encontrar aplicações em sistemas robóticos onde o controle automático e preciso são necessários.

Kanik diz que as possibilidades de materiais deste tipo são praticamente ilimitadas, porque quase qualquer combinação de dois materiais com diferentes taxas de expansão térmica poderia trabalhar, deixando um vasto reino de combinações possíveis para explorar. Ele acrescenta que este novo achado foi como abrir uma nova janela, apenas para ver “um monte de outras janelas” esperando para ser aberto.”A força deste trabalho vem da sua simplicidade”, diz ele.

A equipe também incluiu o estudante de pós-graduação do MIT Georgios Varnavides, o pós-doutorado Jinwoo Kim, e os estudantes de graduação Thomas Benavides, Dani Gonzalez, e Timothy Akintlio. O trabalho foi apoiado pelo National Institute of Neurological Disorders and Stroke e pela National Science Foundation.