Estimular los músculos desplazados con electrodos hace que se contraigan.
Solo un juguete que vale 100 dólares: un frasco de vidrio con un grupo de Eam nadando en Osaka, Japón.
Pez robótico producido por ex empresa. Inusualmente, estos peces de plástico impulsados internamente nadan casi como peces reales y no contienen piezas mecánicas en su interior: ni motores, ni ejes de transmisión, ni engranajes, ni siquiera baterías. Estos peces pueden nadar porque sus tripas de plástico se doblan hacia adelante y hacia atrás, como si tuvieran voluntad propia. Son los primeros productos comerciales basados en una nueva generación de polímeros electroactivos (EAP) mejorados que pueden moverse en respuesta a la estimulación eléctrica.
Hace décadas, los ingenieros que construyeron actuadores o dispositivos de actuación habían encontrado sustitutos artificiales para los músculos. En respuesta a la estimulación nerviosa, los músculos pueden controlar con precisión la fuerza que ejercen cambiando su longitud, como parpadear o levantar una barra. Al mismo tiempo, los músculos también presentan la propiedad de proporciones constantes: el mecanismo es el mismo para músculos de todos los tamaños, y el mismo tejido muscular puede dar fuerza a insectos y elefantes. Por lo tanto, algo parecido a un músculo podría ser útil para impulsar dispositivos donde los motores eléctricos son difíciles de fabricar.
Los EPA afirman ser los músculos artificiales del futuro. Los investigadores ya están trabajando ambiciosamente para encontrar alternativas basadas en la EPA a muchas tecnologías contemporáneas y no temen competir con objetos naturales por sus inventos. Hace varios años, varias personas, incluido Yoseph Bar-Cohen, científico senior del Jet Propulsion Laboratory (JPL) en Pasadena, California, lanzaron un desafío al grupo de investigación de polímeros electroactivos para estimular el interés en el campo. Interesados: realizar una competencia. para ver quién puede construir primero un brazo robótico impulsado por EAP, y debe ganar una lucha de pulsos uno a uno con un brazo humano. Luego comienzan a buscar patrocinadores que apoyen y den premios en efectivo a los ganadores.
Por ahora, el trabajo más prometedor puede ser la investigación realizada por el Instituto de Investigación de Stanford (SRI), un laboratorio de investigación por contrato sin fines de lucro en Menlo Park, California. La dirección de SRI espera establecer una empresa (llamada provisionalmente Artificial Muscle Integrated Corporation) con una inversión inicial de entre 4 y 6 millones de dólares para comercializar su tecnología patentada por la EPA en unos pocos meses. Incluso ahora, el SRI todavía tiene 6 contratos de RD en manos. Las partes incluyen al gobierno de Estados Unidos y empresas de las industrias del juguete, la automoción, la electrónica, los productos mecánicos y el calzado. SRI está trabajando para llevar al mercado músculos artificiales lo más rápido posible.
¿Cuáles son los objetivos de esta nueva empresa? Sólo quería reemplazar los innumerables motores eléctricos y muchos otros dispositivos de accionamiento con los nuevos actuadores del SRI por algo más pequeño, más ligero y más barato. "Creo que esta tecnología es una buena oportunidad para revolucionar el campo de la actuación mecánica", afirmó Phillip von Guggenberg, director del departamento de desarrollo empresarial de su laboratorio. "Queremos popularizar esta tecnología y hacerla suya". ferretería"
Materiales musculares artificiales
Bar-Cohen ha sido una figura decorativa informal para una comunidad internacional cambiante de investigadores de EAP desde mediados de la década de 1960. Coordinador. En sus inicios, "los materiales poliméricos electroactivos que leí en artículos científicos no eran tan mágicos como se anunciaba", recuerda con una sonrisa maliciosa. "Cuando obtuve financiación de la NASA para trabajar en esta tecnología, tuve que averiguar quién estaba trabajando en este campo para inspirarme un poco. En tan solo unos años, Bar-Cohen ya tenía suficientes conocimientos y ayudó a organizar el primer simposio de tecnología". sobre el tema, comenzó a publicar el boletín informativo de la EAP, publicó el sitio web de la EAP y escribió dos trabajos sobre esta tecnología emergente.
En un edificio de investigación de poca altura en el patio del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL), con bancos de pruebas llenos de prototipos de varios dispositivos de accionamiento y dispositivos de prueba, Bar-Cohen comenzó a repasar la historia de un campo que ya conocía bien.
Dijo: "La gente ha estado buscando durante mucho tiempo formas de mover animales sin motores eléctricos, que son demasiado voluminosos para muchas aplicaciones. Antes de la llegada de los EPA, la tecnología de reemplazo estándar para los motores eléctricos era la cerámica piezoeléctrica, que alguna vez fue estudiada como puntos calientes. ”
En los materiales piezoeléctricos, la tensión mecánica provoca la polarización del cristal y viceversa. Estimular el material con una corriente eléctrica hace que se deforme; se puede generar electricidad cambiando su forma.
Ba-Cohen tomó una pequeña placa gris claro de una mesa experimental y dijo: "Esta placa está hecha de PZT (titanato de circonato de plomo)". contraerse o expandirse con una amplitud menor que 1 de su longitud total. La deformación es pequeña pero útil.
En la sala contigua, Bar-Cohen mostró un taladro de impacto de un pie de largo impulsado por placas PZT que está desarrollando con colegas de JPL e ingenieros de Cybersonics. Dijo: "Dentro de este cilindro hay una pila de placas piezoeléctricas. Cuando se activa la corriente alterna, la pila de placas golpeará la broca a velocidad supersónica, y la broca saltará hacia arriba y hacia abajo a alta velocidad para perforar el roca dura." Al otro lado hay montones de placas piezoeléctricas. La piedra tiene un agujero profundo perforado.
Como ejemplo, el taladro muestra la eficacia de fabricar actuadores con cerámica piezoeléctrica, lo cual es realmente impresionante. Sin embargo, en muchas aplicaciones, se requiere que los materiales electroactivos tengan un rango de expansión superior a 0,0.
Respuesta de los plásticos a la electricidad
Bar-Cohen nos dice que los polímeros que cambian de forma en respuesta a la corriente eléctrica se pueden dividir en dos categorías: iónicos y electrónicos. Sus ventajas y desventajas son. exactamente lo mismo.
El principio de funcionamiento de los polímeros electroactivos iónicos (incluidos los geles de polímeros iónicos, los polímeros iónicos como los compuestos metálicos, los polímeros conductores y los nanotubos de carbono) es la electroquímica, es decir, el movimiento y la difusión de iones positivos y negativos. Pueden funcionar directamente con baterías, ya que incluso voltajes de un solo dígito les permiten doblarse significativamente. La desventaja es que los EAP iónicos normalmente deben estar húmedos, por lo que deben sellarse en una capa delgada y flexible. Otro gran inconveniente de muchos polímeros electroactivos iónicos es que "mientras la corriente esté activada, el material sigue moviéndose", señaló Bar-Cohen, y añadió: "Si el voltaje excede un cierto valor, puede ocurrir electrólisis, lo que puede causar daños irreparables". daños a los materiales."
Por el contrario, los polímeros electrónicamente activos (como los polímeros ferroeléctricos, los dieléctricos, los cauchos eléctricamente aislantes y los cauchos injertados electroestrictivos) son impulsados por campos eléctricos. Requieren un voltaje relativamente alto, por lo que pueden producir una incómoda descarga eléctrica. A cambio, la EPA electrónica responde rápidamente y transmite una fuerte potencia mecánica. No requieren capa protectora y pueden mantener una determinada posición con corrientes muy pequeñas.
El material muscular artificial SPR pertenece al tipo EAP electrónico. Su desarrollo exitoso ha pasado por un camino largo y tortuoso, lo que puede considerarse un ejemplo clásico de innovación tecnológica caprichosa.
Cargando el borrador
El líder del equipo SRI, Ron Pelrine, dijo: "Después de firmar el contrato con Japón para el Proyecto de Micromáquinas de Japón, el Instituto de Investigación de Stanford comenzó a investigar músculos artificiales en 1992". Solía ser físico, pero ahora es ingeniero mecánico. Los funcionarios japoneses están buscando una nueva tecnología de micromotores. Varios investigadores del SRI comenzaron a buscar un material de accionamiento con propiedades similares a las del músculo natural en términos de mecánica, carrera (desplazamiento lineal) y tensión (desplazamiento por unidad de longitud o unidad de área).
“Analizamos muchas tecnologías de activación prometedoras”, recuerda Pelrine. Sin embargo, finalmente se decidieron por polímeros electroestrictivos, que era en lo que estaba trabajando Jerry Scheinbeim de la Universidad de Rutgers en ese momento. Las moléculas de hidrocarburos en el polímero están dispuestas en una semired, una matriz de cristales que tiene propiedades similares a las piezoeléctricas.
Cuando se exponen a un campo eléctrico, todos los plásticos aislantes (como el poliuretano) se contraerán en la dirección de las líneas eléctricas y se expandirán en la dirección perpendicular a las líneas eléctricas. Este fenómeno es diferente de la electroestricción y se denomina estrés de Maxwell. "Este fenómeno se conoce desde hace mucho tiempo, pero se consideraba un efecto muy problemático", afirmó Pelrine.
”
Se dio cuenta de que los polímeros más blandos que el poliuretano se comprimían más fácilmente bajo la atracción electrostática, por lo que podían proporcionar una mayor tensión mecánica. Al probar la silicona blanda, los científicos del SRI demostraron rápidamente que la tensión está entre 10 y 15, que es. muy satisfactorio. Después de más investigaciones, este número se puede aumentar a 20 ~ 30. Para distinguir este nuevo material de actuador, se nombra silicona y otros materiales más blandos (también conocidos como polímeros activados por campos eléctricos)
<. Después de identificar varios materiales poliméricos prometedores, el equipo se centró en desarrollar materiales específicos para aplicaciones de dispositivos específicas durante gran parte del resto de la década de 1990. En ese momento, Detalles proporcionó nuevo apoyo financiero externo y dirección de investigación para el grupo de investigación SRI. la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (DARPA) y la Oficina de Investigación Naval del Departamento de Defensa de EE. UU., cuyo principal interés era utilizar la tecnología con fines militares, incluidos pequeños robots de reconocimiento y generadores de luz.Como comenzó el caucho. Para exhibir una mayor tensión, los ingenieros se dieron cuenta de que los electrodos también tenían que ser expandibles, dijo Pelrine. Inicialmente, la gente no tenía que preocuparse por este problema porque los materiales que estudiaron proporcionaban una tensión de sólo aproximadamente 1. Al final, el equipo de investigación desarrolló un electrodo flexible basado en el relleno de partículas de carbono en una matriz de caucho. "Como los electrodos y el plástico se expanden juntos, pueden mantener un campo eléctrico en toda el área activa", señaló. "El SRI solicitó una patente para este concepto, que fue una de las claves de la posterior tecnología de los músculos artificiales.
Pelrine estaba ansioso por mostrárnoslo y sacó un objeto cuadrado de 15 cm que parecía una imagen. Los clips de plástico en ambos lados se apretaron debido a la expansión. "Mira, este material polimérico es muy maleable", dijo, presionando con un dedo en su película transparente. el rollo es muy barato. "A ambos lados del clip del medio hay electrodos negros y del tamaño de una níquel, y los electrodos están conectados con cables.
Pelin encendió la perilla de control de la fuente de alimentación. Inmediatamente, el par de electrodos redondos negros comenzó se expandió y su diámetro aumentó una cuarta parte. Cuando volvió a girar la perilla a su posición original, el electrodo inmediatamente se contrajo a su estado original. Sonrió, repitió la operación varias veces y explicó: "Básicamente, nuestro dispositivo es un. Condensador. Es decir, dos placas de carga paralelas con aislamiento eléctrico entre ellas. Cuando se enciende la energía, las cargas positivas y negativas se acumulan en electrodos opuestos respectivamente. Las placas de los electrodos se atraen entre sí, comprimiendo el polímero aislante en el medio y el área del polímero se expande. ”
Si bien se han identificado varios materiales prometedores, lograr un rendimiento aceptable en dispositivos reales ha sido un verdadero desafío. Sin embargo, una serie de avances logrados por el grupo en 1999 atrajeron la atención del gobierno de Estados Unidos. Gran interés en la industria. A través de la observación, el preestiramiento del material polimérico antes de la electroactivación puede mejorar enormemente su rendimiento. Otro miembro del equipo, el ingeniero Roy Kornbrough, "empezamos a notar que había un punto óptimo donde podíamos obtener el resultado". el mejor rendimiento", recuerda Kornbluh. Nadie sabe exactamente por qué, pero el preestiramiento del polímero puede aumentar la resistencia a la rotura (la resistencia al paso de la electricidad entre electrodos) en un factor de 100. La magnitud del aumento de la tensión debido a la activación eléctrica es similar, aunque la razón aún no está clara, el químico del SRI Pei Bingqi cree que "el preestiramiento puede posicionar las cadenas moleculares a lo largo de la dirección de expansión del plano, y el material las mantiene en esta dirección". ." Más difícil. "Para lograr el efecto de preestiramiento, el dispositivo actuador del SRI utiliza una estructura de soporte externa.
El segundo descubrimiento clave se produjo como resultado de que los investigadores "probaron cada material escalable que conocemos, y lo llamamos el "Método Edison", nos dijo alegremente Pelrine. Para encontrar un material adecuado para el filamento de luz eléctrica, Thomas Edison llevó a cabo experimentos sistemáticos con diversos materiales.) "En mi casa, para evitar que mi niño pequeño se lleve cosas a todas partes, utilizamos cerraduras en las puertas. hecho de materiales poliméricos para cerrar el refrigerador. A medida que los niños crecieron, ya no necesitábamos cerrar nada con llave, así que quitamos las cerraduras. Como está hecho de material elástico, decidí probar su resistencia a la tensión. Sorprendentemente, funciona muy bien.
"No fue difícil rastrear el origen de la cerradura y analizar su composición. Al final, el misterioso polímero "resultó ser caucho poliacrílico, que puede proporcionar una gran tensión y producción de energía, con tensiones lineales de hasta 380". "Estos dos desarrollos nos permiten empezar a aplicar caucho aislante eléctricamente a dispositivos actuadores prácticos", afirmó el investigador.
Los sueños de músculos artificiales se hacen realidad
Los métodos generales de investigación del grupo SRI son relativamente flexibles e incluyen muchos diseños e incluso diferentes polímeros. Como dice Pelrine: "Esto es un dispositivo, no un trozo de material". Según Pelrine, el equipo pudo crear el efecto de activación con diferentes polímeros, incluidos acrílicos y siliconas. Incluso el caucho natural puede tener algún efecto. Por ejemplo, en el ambiente de temperatura extrema del espacio exterior, los músculos artificiales se fabrican mejor con plástico de silicona, que se ha demostrado que funciona en un ambiente de vacío de -100 grados Celsius. Para aplicaciones que requieren mayor fuerza de salida, es posible que se requiera más material polimérico o se pueden conectar varios dispositivos en serie o en paralelo.
Von Guggenberg, miembro del SRI, estima: "Dado que disponemos de caucho aislante eléctrico en stock y utilizamos como máximo sólo unos pocos metros cuadrados de material por dispositivo, el actuador será muy barato, especialmente para la producción en masa. "
El voltaje utilizado para activar el actuador de goma aislante eléctricamente es relativamente alto, normalmente de 1 a 5 kV, por lo que se puede utilizar el dispositivo. Funciona con una corriente muy baja (en términos generales, alto voltaje significa baja corriente). . Los actuadores también pueden utilizar cables más delgados y económicos y pueden mantenerse relativamente fríos. "Cuando el campo eléctrico se detiene y la corriente fluye a través del espacio, los voltajes más altos crean una mayor expansión y tensión", comentó Pelrine: "Los altos voltajes son un problema, pero no necesariamente peligrosos. Después de todo, las lámparas fluorescentes y los tubos de rayos catódicos son un problema". dispositivos de alto voltaje, pero el mayor problema es que los dispositivos móviles usan altos voltajes porque las baterías generalmente son de bajo voltaje, por lo que se necesitan bobinas de transformador adicionales. La Universidad Estatal Qiming Zhang y su equipo han estado tratando de reducir el voltaje de activación de algunos electroestrictivos”. polímeros combinándolos con otras sustancias para formar compuestos.
Cuando se le preguntó sobre la durabilidad de los cauchos aislantes eléctricos, von Gugenberg admitió que se necesitaba más investigación y confirmó una "indicación razonable" de que deberían seguir funcionando durante mucho tiempo para uso comercial. "Por ejemplo, el equipo que utilizamos para un cliente puede producir una deformación de 5 a 10 y realizar un ciclo de 100.000 veces". Otro equipo puede producir una deformación de área de 50 y realizar un ciclo de 10.000 veces.
Aunque el dispositivo de músculo artificial es mucho más ligero que un motor eléctrico correspondiente (el polímero en sí tiene una densidad similar a la del agua), el SRI está trabajando para reducir su masa reduciendo el equipo externo de pretensado necesario. Por ejemplo, Pei está experimentando con métodos químicos para eliminar la necesidad de estructuras relativamente pesadas.
Comercialización del producto
Tras desarrollar los principios básicos, el equipo de investigación del SRI pasó inmediatamente a estudiar una serie de conceptos de aplicación:
Actuadores lineales (Linear actuadores). Para crear lo que llaman un resorte helicoidal, los ingenieros envolvieron varias capas de láminas de caucho eléctricamente aislantes pretensadas alrededor de un resorte helicoidal. El resorte de tensión soporta la pretensión circunferencial, mientras que la pretensión longitudinal de la membrana de caucho mantiene el resorte en compresión [ver diagrama en la página 48]. La energía eléctrica hace que el espesor de la película de caucho se comprima y se relaje simultáneamente en dirección longitudinal, y el dispositivo se estira. Por lo tanto, el tambor de resorte puede generar fuertes fuerzas y grandes carreras en el paquete de compresión. Kornbrough informa que los fabricantes de automóviles han mostrado interés en el dispositivo, con la esperanza de utilizarlo para reemplazar muchos de los pequeños motores eléctricos de los automóviles, por ejemplo, en el control eléctrico de la posición del asiento y el control de válvulas en motores eficientes y silenciosos.
Rodillo doblador. Utilizando el mismo tambor de resorte básico, los ingenieros pueden conectar electrodos para crear dos o más piezas diferentes que funcionen de forma independiente alrededor de la circunferencia del tambor. La activación eléctrica de un componente alarga un lado del cilindro de modo que todo el cilindro se flexiona hacia el otro lado [consulte el diagrama en la página 48]. Los dispositivos basados en este diseño pueden realizar muchas acciones complejas que los motores, engranajes y varillajes tradicionales no pueden.
Entre sus posibles usos se incluyen catéteres médicos orientables y los llamados robots serpiente.
Actuador push-pull. Se pueden disponer grupos de pares de diafragmas de goma aislantes eléctricamente o pares de cilindros de resorte en una configuración "empujar-tirar" de modo que interactúen para responder de una manera más lineal (una entrada produce una salida). Cortar el voltaje de un dispositivo a otro puede cambiar la posición de todo el grupo de dispositivos hacia adelante y hacia atrás; activar dos dispositivos simultáneamente puede fijar el grupo de dispositivos en un punto intermedio. De esta manera, los actuadores pueden funcionar como los músculos bíceps y tríceps que controlan los movimientos del brazo humano.
Altavoces. Estire una película aislante eléctrica sobre un marco con aberturas. El diafragma se expande o contrae rápidamente en respuesta a una señal eléctrica aplicada, produciendo así sonido. Esta configuración da como resultado un altavoz liviano y económico cuyo medio vibratorio incluye el controlador y el panel de sonido. El diseño actual exhibe un alto rendimiento en los rangos de frecuencia media y alta. Sin embargo, esta configuración de altavoces no está optimizada como woofer, aunque funciona bien en el rango de frecuencias bajas [ver diagrama en la página 49].
El diseño de la bomba de diafragma de caucho aislada eléctricamente (Bombas) es similar al de un altavoz de baja frecuencia. Los ingenieros simplemente agregaron una cámara de fluido y dos válvulas de retención unidireccionales para controlar el flujo de líquido. Los músculos artificiales son ideales para accionar bombas de microfluidos, por ejemplo, en dispositivos de laboratorio en un chip muy valorados por la medicina y la industria.
Sensor. Por su naturaleza, todos los dispositivos de caucho aislantes eléctricamente del SRI experimentan cambios de capacitancia cuando se doblan o estiran. Por lo tanto, es posible fabricar un sensor que sea compatible y funcione a baja presión. Kornbluh dijo que el equipo del SRI está en conversaciones con un fabricante de automóviles para utilizar el sensor para medir la tensión del cinturón de seguridad. El sensor también podría usarse para medir la tensión de telas u otros materiales, como fibra óptica, cinturones o ropa, afirmó.
Características de superficie y superficies inteligentes. Si se imprimen patrones de electrodos en el polímero, se pueden tallar varias formas en la superficie según se desee. Esta tecnología podría usarse en telas de camuflaje activo que pueden cambiar la reflectividad según sea necesario, o como un dispositivo para crear "tiras elásticas" para mejorar las características de resistencia aerodinámica de la superficie del ala [ver ilustración en la página 50].
Generador. Debido a que el material actúa como un condensador blando, podría usarse para crear generadores de capacidad variable y recolectores de energía. DARPA y el ejército estadounidense han invertido en el desarrollo de un generador "talón", una fuente de energía portátil que los soldados u otro personal en el campo pueden utilizar para alimentar equipos eléctricos en lugar de baterías. Con este dispositivo, que aún se encuentra en etapa de desarrollo [ver imagen en esta página], una persona promedio puede dar un paso por segundo y generar aproximadamente 1 vatio de energía. Von Guggen-Berg afirmó que el concepto ya ha despertado el interés de las empresas de calzado. Asimismo, este dispositivo se puede montar en la correa de una mochila o en un enganche de coche. En principio, este enfoque también podría aplicarse a generadores de olas y turbinas eólicas.
Los investigadores del SRI probaron recientemente un concepto más radical llamado "motor de polímero". El combustible propano se quema en una cámara de combustión y la presión creada por los productos de la combustión deforma un diafragma de goma aislante eléctricamente, generando electricidad. Este diseño podría eventualmente conducir a microgeneradores eficientes en una escala de centímetros o menos.
Sin embargo, hará falta tiempo para que surjan productos verdaderamente comercializables. Von Guggenberg señaló: “Actualmente estamos fabricando todos los dispositivos llave en mano que se pueden entregar a los ingenieros para que puedan estudiarlos, aceptar y apreciar la tecnología. Espero que en el futuro, todos los ingenieros puedan considerar esta tecnología al diseñar nuevos productos. Bar-Cohen dijo que estaba impresionado por el progreso que ha logrado SRI en la tecnología de actuadores. Pero el éxito también trae algunos problemas: la pulseada. Bromeó: "Tenía la esperanza de que en unos 20 años alguien desarrollara un brazo robótico que fuera comparable a un brazo humano". Ahora el SRI dice que van a construir uno, ¡y aún no hemos recaudado el premio! "