Materiales para fabricar músculos artificiales
Bar-Cohen ha sido el coordinador informal de los siempre cambiantes investigadores internacionales de la EAP desde mediados de los años 1960. 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 la primera tecnología. simposio sobre el tema, comenzó a publicar el boletín de EAP, publicó el sitio web de 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 objetos 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. "Esta placa está hecha de PZT (titanato de circonato de plomo)", dijo Bar-Cohen mientras tomaba una pequeña placa de color gris claro de una mesa de laboratorio. Explicó que la corriente eléctrica hace que el PZT piezoeléctrico se contraiga o expanda. es inferior al 1% de su longitud total. La deformación es pequeña pero útil.
En una sala adyacente, Bar-Cohen mostró un taladro de impacto de un pie de largo impulsado por placas PZT que desarrolló con colegas del 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 se expandan más allá del 0,0%.
Material de cristal líquido polimérico
El cristal líquido polimérico es un sustituto ideal del silicio a los ojos de los científicos. En el pasado, gran parte del micro trabajo de I+D se realizaba en materiales de silicio. Y cada vez más científicos creen que los polímeros de cristal líquido son más flexibles que el silicio. Después de cortar finamente el polímero de cristal líquido, las muestras procesadas responden a estímulos externos específicos, como cambios de temperatura y radiación ultravioleta, y son más sensibles que el silicio. Además, el coste de fabricación del polímero de cristal líquido es menor que el de los materiales de silicio y la tecnología de procesamiento es más sencilla.
En comparación con las prótesis hechas de silicona, los "músculos artificiales" son aún más mágicos. En la década de 1980, los científicos descubrieron que las moléculas de los materiales poliméricos de cristal líquido pueden deformarse y torcerse bajo la acción de la corriente eléctrica, haciendo que el material mismo se encoja y doble, lo que es muy similar a los músculos humanos. Entonces los científicos comenzaron a estudiar cómo utilizarlos. Materiales poliméricos de cristal líquido para construir "músculos artificiales". Los robots tradicionales no pueden moverse libremente excepto sus articulaciones. Si tuvieran "músculos artificiales" sus extremidades serían más flexibles y desarrolladas.
Material de filamento de nailon
Esta inesperada función del hilo de nailon fue publicada esta semana en la revista estadounidense Science.
La investigación fue liderada por Roy Baughman, uno de los científicos que mayores contribuciones ha hecho al mundo en este campo. Al mismo tiempo, otros dos científicos M? Nica Jung de Andrade y Marjo Lima se sumaron a la nueva investigación luego de realizar estudios posdoctorales en relevantes instituciones de Estados Unidos.
Las investigaciones muestran que la característica más importante de los materiales para fabricar músculos artificiales es la capacidad del material para almacenar grandes cantidades de energía manteniendo la actividad muscular de la misma manera.
Otro indicador importante es la reversibilidad de este material. Porque las investigaciones muestran que a menos que un material no pierda sus propiedades después de miles de tiempos de almacenamiento y liberación de energía, no puede mantener su fuerte contractilidad para mantener la actividad muscular.
En el proceso de superar esta dificultad, los científicos han utilizado muchos materiales para realizar experimentos con músculos artificiales. Inicialmente, los científicos utilizaron nanotubos de carbono para realizar experimentos con músculos artificiales. Calentaron el material para levantar pesas como si fueran músculos reales, pero muchos de los materiales experimentales no produjeron resultados satisfactorios.
Márcio Lima explicó a los periodistas que la clave para resolver este enigma es que los investigadores encontraron que el coeficiente de expansión térmica de ciertos materiales fibrosos es negativo, lo que equivale a calentar y siempre que los cambios de temperatura del material sean adecuados. Controlado y aplicado durante el enfriamiento del material, la reversibilidad del material se puede mantener con precisión durante el movimiento del material.
Dijo: "Descubrimos que enrollar las fibras juntas para formar un resorte o una espiral puede amplificar el efecto del uso. Después de eso, experimentamos con muchos materiales de fibra más baratos y logramos buenos resultados. La seda de nailon es uno de ellos. de ellos.
”
La mayor ventaja de este material es su bajo precio, porque este hilo de nailon sólo cuesta 15 reales el kilogramo y, en experimentos, los músculos artificiales fabricados con este hilo de nailon pueden sobrevivir a una temperatura de 100 grados centígrados. Durante el cambio, el efecto de carga es 84 veces más fuerte que el de los músculos humanos.
En el futuro, esta nueva tecnología podrá usarse en la fabricación de robots y en ingeniería biomédica (como la fabricación de prótesis con una fuerte capacidad de carga). rendimiento, etc.), e incluso en la industria textil, por ejemplo, en climas extremadamente fríos y calurosos, los "orificios para respirar" hechos con tecnología de nailon se pueden abrir o cerrar para ajustar la temperatura. >Materiales poliméricos
El líder del equipo SRI, Ron Pelrine, dijo: "SRI International comenzó a trabajar en músculos artificiales en 1992 después de firmar un contrato con Japón para el Programa Japonés de MicroMáquinas. Era un ex físico convertido en ingeniero mecánico. Los funcionarios japoneses buscaban una nueva tecnología de microactuadores. Varios investigadores del SRI comenzaron a buscar un método que combinara mecánica, carrera (desplazamiento lineal) y deformación (longitud unitaria). tecnologías de activación", recuerda Pelrine, pero se decidieron por la electroestricción.
Los polímeros, un material que Jerry Scheinbem de la Universidad de Rutgers estaba estudiando en ese momento, tenía moléculas de hidrocarburos dispuestas en medias redes, matrices de cristales. -Propiedades similares.
Cuando se exponen a un campo eléctrico, todos los plásticos aislantes (como el poliuretano) se contraerán en la dirección de la línea del campo eléctrico y se expandirán en la dirección perpendicular a la línea del campo eléctrico. es diferente de la electroestricción, conocida como estrés de Maxwell. "Este fenómeno se conoce desde hace mucho tiempo, pero se considera un efecto muy problemático", dijo 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 siliconas blandas, los científicos del SRI demostraron rápidamente que su tensión está entre el 10 y el 15 %, que es. muy satisfactorio después de más investigaciones, este número se puede aumentar al 20-30% para diferenciar este nuevo material de actuador de la silicona y otros materiales más blandos denominados elastómeros eléctricamente aislantes (también conocidos como polímeros activados por campo eléctrico).
< Después de identificar varios materiales poliméricos prometedores, el equipo se centró en el desarrollo de dispositivos específicos durante el resto de la década de 1990. En ese momento, la Defensa proporcionó nuevo apoyo financiero externo y dirección de investigación para el grupo de investigación SRI. Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada (DARPA) y la Oficina de Investigación Naval, cuyo principal interés era utilizar la tecnología con fines militares, incluidos pequeños robots de reconocimiento y generadores de luz.A medida que el caucho comenzó a exhibir una mayor tensión, Los ingenieros se dieron cuenta de que los electrodos también tendrían que ser expandibles. Los electrodos metálicos comunes no podían extenderse a menos que estuvieran hechos en piezas. "Al principio, la gente no tenía que preocuparse por esto porque los materiales que estudiaron solo proporcionaban alrededor del 1 por ciento de tensión. "Al final, el equipo de investigación desarrolló un electrodo flexible basado en el relleno de partículas de carbono en una matriz elástica. "Como los electrodos y el plástico se expanden juntos, pueden mantener un campo eléctrico en toda el área activa", señaló. "SRI International 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 un En el marco del cuadro, los clips de plástico de ambos lados se tensaron debido a la expansión. “Mira, este material polimérico es muy maleable”, dijo, y presionó con un dedo su película transparente. “En realidad, es una especie de cinta adhesiva de doble cara. Los rollos son muy baratos. "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 generaron un interés significativo por parte del gobierno y la industria de Estados Unidos. .
A través de la observación, el rendimiento de los materiales poliméricos se puede mejorar enormemente estirándolos previamente antes de la electroactivación. "Comenzamos a notar que había un punto óptimo en el que podíamos obtener el mejor rendimiento", recuerda Kornbluh. Nadie sabe exactamente por qué, pero el estiramiento previo del polímero puede aumentar la resistencia al flujo de electricidad entre los electrodos en un factor de 100 en caso de resistencia a la rotura. "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 lo hace en esta dirección. dirección. "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 todos los materiales escalables que conocemos, lo que llamamos el método Edison", nos dijo felizmente Pelrine. Para encontrar un material adecuado para los filamentos de luz eléctrica, Thomas Edison llevó a cabo experimentos sistemáticos con diversos materiales. ) "En mi casa, para evitar que mi niño pequeño mueva las cosas, cerramos el refrigerador con una cerradura hecha de material polimérico. A medida que los niños crecen, ya no necesitamos cerrar nada, por lo que cerramos el Taked away. Desde está hecho de material elástico, decidí probar su resistencia a la tensión. Sorprendentemente, funcionó muy bien. No fue difícil rastrear el origen de la cerradura y analizar su composición. Finalmente, el polímero misterioso "resultó ser un caucho poliacrílico que puede proporcionar una gran tensión y producción de energía, con tensiones lineales de hasta el 380%. Estos dos desarrollos nos permitieron comenzar a aplicar caucho aislante eléctricamente a equipos de actuación prácticos". "Dijo el investigador.
Materiales de caucho natural
Los métodos de investigación generales del grupo SRI son relativamente flexibles e incluyen muchos diseños e incluso diferentes polímeros. Como dijo Pei Bingqi: "Esto es Una pieza de equipo, no una pieza de material. Según Pelrine, el equipo pudo utilizar diferentes polímeros para crear el efecto de activación, incluidos acrílicos y siliconas, incluso el caucho natural puede tener algún efecto. Por ejemplo, los músculos artificiales funcionarían mejor en ambientes con temperaturas extremas en el espacio exterior. plástico, se ha demostrado que este material funciona en un entorno 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 varias unidades en serie o en paralelo.
Von Guggenberg, miembro de SRI, estima: “Como el caucho aislante eléctrico está disponible en stock y solo utilizamos unos pocos pies cuadrados como máximo del material en cada dispositivo, el actuador de la máquina será muy barato, especialmente para aplicaciones masivas”. producción. ”
El voltaje utilizado para activar los actuadores de caucho aislantes eléctricamente es relativamente alto, generalmente de 1 a 5 kV, por lo que el dispositivo puede funcionar con corrientes muy bajas (en términos generales, alto voltaje significa baja corriente). También utilizan cables más delgados y baratos y pueden mantenerse relativamente fríos, dijo Pelrine: "Cuando el campo eléctrico se detiene y la corriente fluye a través del espacio, el voltaje más alto crea una mayor expansión y tensión. ”
El mayor problema es que los dispositivos móviles utilizan alto voltaje, porque las baterías suelen ser de bajo voltaje, por lo que se necesitan bobinas de transformador adicionales. Además, en la Universidad de Penn State, Zhang Qiming y su equipo han estado intentando hacerlo. Algunos polímeros electroestrictivos se combinan con otras sustancias para formar compuestos que reducen su voltaje de activación. Cuando se le preguntó sobre la durabilidad del caucho aislante eléctricamente, von Gugenberg reconoció que se necesita más investigación e identificó una "indicación razonable" de que deberían seguir funcionando por mucho tiempo. suficiente para lograr un uso comercial "Por ejemplo, un dispositivo que ejecutamos para un cliente puede producir entre un 5% y un 10% de tensión y realizar ciclos 100.000 veces". Otro dispositivo puede producir un 50% de tensión de área con 10.000 ciclos. Aunque el dispositivo de músculo artificial es mucho más ligero que el motor eléctrico correspondiente (el polímero en sí tiene una densidad similar a la del agua), el SRI todavía está trabajando para reducir la tensión necesaria. , un equipo de investigación dirigido por el profesor Watanabe Masayoshi de la Universidad Nacional de Yokohama en Japón desarrolló un nuevo tipo de músculo artificial que puede funcionar con baterías secas y es muy adecuado para micromáquinas y pequeños robots. El músculo artificial tiene forma de chicle. 5 centímetros de largo, 1 centímetro de ancho y cientos de micrones de espesor. Está hecho de un material polimérico que se expande y contrae con los cambios de voltaje y un líquido iónico no volátil que puede usarse durante mucho tiempo en circunstancias normales. El músculo artificial se instala en las articulaciones y acciona los componentes de las micromáquinas, puede funcionar como las articulaciones humanas.