Los científicos de materiales de UCLA y sus colegas del instituto de investigación científica sin fines de lucro SRI International han desarrollado un nuevo material y proceso de fabricación para crear músculos artificiales que son más fuertes y flexibles que sus contrapartes biológicas.
"Crear un músculo artificial para permitir el trabajo y detectar la fuerza y el tacto ha sido uno de los grandes desafíos de la ciencia y la ingeniería", dijo Qibing Pei, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería UCLA Samueli y autor correspondiente de un estudio publicado recientemente en Science .
Para que un material blando se considere para su uso como músculo artificial , debe poder generar energía mecánica y permanecer viable en condiciones de alta tensión, lo que significa que no pierde fácilmente su forma y fuerza después de ciclos de trabajo repetidos. Si bien muchos materiales se han considerado candidatos para fabricar músculos artificiales, los elastómeros dieléctricos (DE), materiales livianos con alta densidad de energía elástica, han sido de especial interés debido a su flexibilidad y dureza óptimas.
Los elastómeros dieléctricos son polímeros electroactivos, que son sustancias naturales o sintéticas compuestas de moléculas grandes que pueden cambiar de tamaño o forma cuando son estimuladas por un campo eléctrico . Se pueden utilizar como actuadores, lo que permite que las máquinas funcionen transformando la energía eléctrica en trabajo mecánico.
La mayoría de los elastómeros dieléctricos están hechos de acrílico o silicona, pero ambos materiales tienen inconvenientes. Si bien los DE acrílicos tradicionales pueden lograr una alta tensión de actuación, requieren un estiramiento previo y carecen de flexibilidad. Las siliconas son más fáciles de hacer, pero no pueden soportar una gran tensión.
Utilizando productos químicos disponibles comercialmente y empleando un proceso de curado con luz ultravioleta (UV), el equipo de investigación dirigido por UCLA creó un material acrílico mejorado que es más flexible, ajustable y más fácil de escalar sin perder su fuerza y resistencia. Si bien el ácido acrílico permite que se formen más enlaces de hidrógeno, lo que hace que el material sea más móvil, los investigadores también ajustaron la reticulación entre las cadenas de polímeros, lo que permitió que los elastómeros fueran más suaves y flexibles. La película de elastómero dieléctrico de alto rendimiento, fina y procesable resultante, o PHDE, se intercala entre dos electrodos para convertir la energía eléctrica en movimiento como un actuador.
Cada película de PHDE es tan delgada y liviana como un cabello humano, de aproximadamente 35 micrómetros de espesor, y cuando se apilan varias capas, se convierten en un motor eléctrico en miniatura que puede actuar como tejido muscular y producir suficiente energía para impulsar el movimiento de pequeños robots o sensores. Los investigadores han hecho pilas de películas PHDE que varían de cuatro a 50 capas.
"Este actuador flexible, versátil y eficiente podría abrir las puertas a los músculos artificiales en las nuevas generaciones de robots, o en sensores y tecnología portátil que pueden imitar con mayor precisión o incluso mejorar el movimiento y las capacidades humanas", dijo Pei.
Los músculos artificiales equipados con actuadores PHDE pueden generar más megapascales de fuerza que los músculos biológicos y también demuestran de tres a 10 veces más flexibilidad que los músculos naturales.
Las películas blandas multicapa generalmente se fabrican mediante un proceso "húmedo" que implica depositar y curar resina líquida. Pero ese proceso puede resultar en capas desiguales, lo que hace que el actuador funcione mal. Por esta razón, hasta ahora, muchos actuadores solo han tenido éxito con películas DE de una sola capa.
La investigación de UCLA implica un proceso "seco" mediante el cual las películas se superponen con una cuchilla y luego se curan con UV para endurecerse, lo que hace que las capas sean uniformes. Esto aumenta la salida de energía del actuador para que el dispositivo pueda soportar movimientos más complejos.
El proceso simplificado, junto con la naturaleza flexible y duradera del PHDE, permite la fabricación de nuevos actuadores blandos capaces de doblarse para saltar, como patas de araña, o enrollarse y girar. Los investigadores también demostraron la capacidad del actuador PHDE para lanzar una pelota del tamaño de un guisante 20 veces más pesada que las películas PHDE. El actuador también puede expandirse y contraerse como un diafragma cuando se enciende y apaga un voltaje, dando una idea de cómo se podrían usar los músculos artificiales en el futuro.
El avance podría conducir a robots blandos con movilidad y resistencia mejoradas, y nuevas tecnologías portátiles y hápticas con sentido del tacto. El proceso de fabricación también podría aplicarse a otros materiales blandos de película delgada para aplicaciones que incluyen tecnologías de microfluidos, ingeniería de tejidos o microfabricación.
Más información: Ye Shi et al, Un proceso multicapa y elastómero dieléctrico procesable de alto rendimiento, Science (2022). DOI: 10.1126/ciencia.abn0099 . www.science.org/doi/10.1126/science.abn0099
Fuente: Revista Ciencia
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