Polímeros electroactivos y Músculos artificiales

En el tubo  de  ensayos estamos atentos al  surgimiento de nuevas tecnologías. A veces estas avanzan tan rápido que no nos dan el  tiempo de percatarnos de ello, y en un abrir y cerrar de ojos estaremos navegando el espacio intergaláctico y explorando los confines del universo. Bueno, eso fue algo exagerado. 

Pero si te digo que en un futuro cercano podremos crear  prótesis mucho más fuertes y ligeras que sus contrapartes biológicas, robots con movimientos más fluidos y exoesqueletos súper fuertes al estilo de lo que se muestra en  películas y videojuegos ¿Qué dirías? No, no es broma, todo esto será posible gracias al desarrollo de unos revolucionarios materiales llamados polímeros electroactivos o EAP por sus siglas en ingles.

Los EAP son materiales que se expanden, contraen, cambian de color o forma al entrar en contacto con determinados productos químicos, cambios de temperatura o con una corriente eléctrica, sin necesidad de agentes mecánicos. Estos pueden ser sometidos a grandes fuerzas, son resistentes a la deformación rápida, son maleables, reaccionan a un bajo voltaje y a comparación de los demás polímeros son buenos conductores.

Son generalmente usados como actuadores, sensores, pantallas de braille y como músculos artificiales debido a su ligereza, elasticidad y capacidad de expandirse y contraerse tal como un musculo biológico; estos a su vez son la pieza  clave de prótesis médicas y están siendo desarrollados para su implementación en robótica. Si, las mismas aplicaciones que mencioné anteriormente y en mi opinión, las más interesantes de los polímeros electroactivos.

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Científicos e ingenieros de diferentes universidades del mundo tienen sus ojos puestos en la investigación y desarrollo de esta tecnología. A continuación les daré a conocer sus avances.

En la universidad de Cambridge esta uno de estos científicos, Stoyan Smoukov y su equipo  han sentado  las bases para pensar en músculos artificiales capaces de recordar determinadas posiciones, es decir, que una vez adaptada una determinada forma, son capaces de cambiarla por otra o volver a la inicial de forma programada. Con esa idea se podría aprovechar mejor el uso de estos elementos que prometen robots con una fuerza descomunal. 

(Fuente)

El material usado es un polímero con propiedades iónicas al que le daban determinadas formas a una temperatura concreta. Luego lo dejaban enfriar para fijar esa posición en la memoria del material y seguían con otra combinación de forma y temperatura asociada, siempre por debajo de la de fusión.

Esto puede ser la base  de futuros músculos artificiales en robots con la capacidad de recordar posiciones y movimientos, combinaciones de diferentes posiciones que adoptaría al cambiar la temperatura. Aunque el  grupo de investigación aún no ha dado los primeros pasos en este sentido.

Por otro lado, investigadores del instituto de nanotecnología de la universidad de Texas (UT, en EE.UU), en colaboración con científicos de instituciones de Australia, Canadá, Corea del sur, China y Turquía, han descubierto que el hilo de pescar y de coser (Fibras de polietileno)  puede convertirse en potentes músculos artificiales. Estos nuevos músculos pueden levantar cien veces más peso y generar cien veces más poder mecánico que los músculos humanos. Por peso, logran generar 7,1 caballos de fuerza por kilogramo, aproximadamente la misma potencia mecánica que un motor a reacción.

 

Si quieres ver el experimento completo dale click aquí 

 

Según indica Ray Baughman, director del instituto de nanotecnología de la UT y uno de los autores del trabajo, al retorcer la fibra de polímero, esta se convierte en un músculo de torsión que puede girar un rotor pesado a más de 10.000 revoluciones por minuto. Una torsión adicional provoca que la fibra de polímero se comporte como una banda de goma muy retorcida y produzca un músculo que se contrae a lo largo de su longitud cuando se calienta, y vuelve a su longitud inicial cuando se enfría. Por el contrario, si se enrolla en una dirección diferente a la del giro inicial, los músculos se expanden cuando se calientan. En comparación con los músculos naturales, que se contraen sólo un 20%, los músculos artificiales de fibras de polietileno pueden hacerlo aproximadamente un 50% de su longitud.

“Estos músculos de polímero tienen aplicaciones muy amplias para el desarrollo de prótesis artificiales, robots humanoides y exoesqueletos portables que hasta ahora han estado limitados  por la necesidad del uso de motores y sistemas hidráulicos, cuyo tamaño y peso restringen su destreza en la generación de fuerza y capacidad de trabajo”, señala el investigador.

Unos de los materiales más revolucionarios mencionados ultimamente son el grafeno y los nanotubos de carbono, devido a su potencial para desempeñar gran número de funciones, grácias a sus increibles propiedades como su dureza, fuerza, gran elasticidad y flexibilidad,  muy buena conducción eléctrica y calórica, entre otras. En medio de este gran número de aplicaciones no podia faltar la de desenvolverse como músculos artifiaciales. 

 
Expanción y contracción de aerogel electroactivo de nanotubos de carbono (Fuente)

Precisamente un grupo de científicos e ingenieros de la universidad de British Columbia, la universidad de Wollongong en Australia, la universidad de Texas en Dallas y la universidad de Hanyang en Corea, con el uso de hilos de nanotubos de carbono trenzados  han desarrollado músculos artificiales que se mueven gracias a la conexión de un electrodo y la inmersión de éste en un electrolito. Los iones del electrolito entran en el hilo y hacen que se hinche, se contraiga y gire a lo largo de su longitud.  

Este tipo de músculo artificial es lo suficientemente fuerte como para girar a 600 revoluciones por minuto sosteniendo objetos de hasta dos mil veces su propio peso y pueden girar 250 grados por cada milimetro de su longitud, una torsión similar a la de los tentáculos de un pulpo o la trompa de un elefante. Esto es más de mil veces la torsión que ofrecen los músculos artificiales disponibles, compuestos de aleaciones con memoria de forma y polímeros orgánicos conductores o ferroeléctricos.

Este avance tendría un importante impacto en el desarrollo de nuevas prótesis, más fuertes que viniesen dotadas de motores y correas basadas en este tipo de material de manera que fuera mucho más resistente, ofreciera mayor fuerza de agarre y también podrían ser mucho más ligeras; estas entajas podrian trasladarse al desarrollo de robots, por ejemplo en el ámbito de la industria y las cadenas de montaje. Además el hilo que han obtenido mediante los nanotubos podria utilizarse para miniaturizar los motores eléctricos, los compresores y las boinas e integrarlas en un unico chip, lo cual podría abrir la puerta al desarrollo de una nueva generación de dispositivos MEMS (sistemas electromecánicos). 

Si te ha parecido interesante este artículo y quieres saber más acerca de los musculos artificiales y los nanotubos de carbono, te invito a ver este video donde Ray Baughman, director del instituto nanotech de la univercidad de texas, nos explica más en detalle acerca del trabajo de su equipo y su investigación.

También te invito a seguir leyendo nuestro blog ya que seguiremos subiendo más contenido interesante como este e informandote para que estes al tanto de los avances de la ciencia y la tecnología que no paran de sorprendernos. 

  

Publicado por: Daniel David Manrique López