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)
