sábado, 22 de febrero de 2014

¿MÚSCULOS ARTIFICIALES DE LÍNEAS DE PESCA E HILO DE COSER?

Los de la torcedura: ¿Músculos de fibra enrollada para hacer el trabajo pesado?
crédito: Cortesia de Ciencia / AAAS
Un equipo internacional de investigadores en un enfoque inusualmente fácil, ha desarrollado en base de fibras de polímeros de alta resistencia, músculos artificiales. En lugar de tener materiales sofisticados o caros, los músculos pueden ser producidos a partir de polímeros simples que se utilizan para hacer  líneas de pesca o hilos de coser. Cuando se calientan, estas fibras se pueden acortar o alargar mucho más que el músculo biológico, pudiendo ser utilizadas en aplicaciones tan diversas como contra ventanas sensibles a la temperatura, la ropa y la robótica "inteligente".

Tendones sintéticos
Los materiales que se expanden y contraen en respuesta a algún tipo de estímulo son útiles para la robótica, donde se utilizan para hacer "actuadores" o fibras musculares artificiales, y en escalas más pequeñas se pueden producir sensores para dispositivos lab-on-a-chip. Numerosos diseños para tales materiales se han desarrollado, tales como los materiales con memoria de forma - ya sea metales o polímeros que existen en dos fases, por lo que puede de repente acortarse o alargarse a una temperatura específica - o polímeros electroactivos - que cambian de forma en respuesta a un campo eléctrico - y electroquímicamente estimulados hilos de nanotubos de carbono. 
Todos ellos, sin embargo, tienen limitaciones. Los metales con memoria, de forma que puedan degradarse después de un número limitado de ciclos y mostrar diversas cantidades de histéresis (la renuencia a cambiar de fase). Polímeros de campo eléctrico impulsado que pueden requerir impracticablemente altos cambios en el campo. Además, todos estos materiales - especialmente el hilo de nanotubo de carbono - son altamente especializados y pueden ser muy costosos.
En la nueva investigación, Ray Baughman y sus colegas de la Universidad de Texas en Dallas, junto con sus colaboradores en Canadá, Corea del Sur, Turquía, China y Nueva Gales del Sur en Australia, tomaron un rumbo más simple. A diferencia de la mayoría de los materiales, las fibras de polímero tienden a acortar cuando se calientan, porque como la entropía del sistema aumenta, las cadenas de polímero se vuelven más desordenadas. Por su parte, esta contracción es bastante pequeña - aproximadamente un  4% para un aumento de 250º K en la temperatura.
Sin embargo, lo más importante, es que cuando las cadenas se vuelven más desordenadas, la fibra se vuelve más gruesa.
Tendones retorcidos
El equipo de Baughman trabajó una sencilla forma de utilizar esta expansión radial para amplificar o, alternativamente, para revertir la contracción térmica. Los investigadores comenzaron con una fibra formada por personas muy ordenadas, cadenas de polímeros lineales y luego tuercen repetidamente, convirtiendo las cadenas en hélices. Cuando la fibra se calienta se expande radialmente, este aumento en las longitudes de las trayectorias helicoidales de las cadenas individuales, crean así un par de torsión en la fibra que aumenta la tensión en las cadenas de polímero provocadas cuando se trata de desenroscar.
A continuación, los investigadores de la fibra trenzada en forma de espiral, demostraron que si la bobina se enrolla en la misma dirección que la fibra se había  retorcido, esta destorsión por calentamiento hace que la bobina apriete se  acorte hasta en un 49%. Más sorprendente aún, si la bobina se enrolla en sentido contrario - es decir, se enrolla hacia la derecha y la otra hacia la izquierda – el calor hace que la bobina se alargue hasta en un 69%. Esto se compara favorablemente con los músculos del esqueleto humano, el cual puede expandirse y contraerse en un máximo de alrededor del 20%, aunque los músculos utilizan tiempos de energía mucho más eficientes.

Tirando su peso

Las propiedades mecánicas fundamentales utilizadas por los músculos - expansión térmica radial combinado con la contracción térmica axial - se encuentran en muchos polímeros que se pueden comprar en cualquier tienda del ramo. Para producir los músculos de alta resistencia, los investigadores se centraron en fuertes polímeros como las líneas de pesca de polietileno y de hilo de coser de nylon. El uso de estos materiales, demostraron la utilización de los músculos en una variedad de aplicaciones de uso diario, tales como persianas que abren y cierran en respuesta a los cambios de temperatura o de tejidos con hilos de polímeros enrollados entretejidos de manera que los poros se abran cuando la temperatura aumenta. En el futuro, estos podrían ser utilizados en la ropa, permitiendo que el exceso  de calor  escape si al usuario le afecta una  ambiente demasiado caliente. "Tenemos un montón de mejoras para hacer", dice Baughman, "pero ya que estos músculos están listos para ser desplegados comercialmente y son baratos de hacer -. usted no tiene que hacer el precursor y usted puede hacer un infierno de un gran cantidad de músculo muy fácilmente ".

Richard James , experto en polímeros con memoria de forma en la Universidad de Minnesota en los EE.UU., siente "que no es un gran avance, pero es muy inteligente y me gustó mucho leer sobre el tema".
Él cree que la parte más valiosa de la investigación, es el efecto geométrico, en el que una espiral de la bobina amplifica la deformación producida, aunque señala, que es necesario un cambio de temperatura de más de 200ºK para producir las cepas más grandes, haciendo problemático las aplicaciones. "Es un método interesante", concluye. "Me puedo imaginar la gente podría combinar esto con memoria de forma que las fibras no tienen que ser polímeros."
La investigación se publica en la Revista Science 
21.February.2014 DOI:10.1126/science 1246906 Vol.43 Nº6173
Fuente: Physicsworld (Tim Wogan, escritor de ciencia en el Reino Unido)

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