Twisted fibers strengthen artificial muscles - Three groups report polymer yarns that respond to electrical, thermal, or chemical stimuli, which may find use in robots and medical devices

Músculos artificiais feitos de fibras trançadas podem oferecer uma alternativa compacta e leve aos motores convencionais em aplicações tais como robôs em miniatura ou implantes médicos. Mas esses tendões sintéticos enfrentam uma série de desafios: alguns dependem de materiais caros ou são difíceis de produzir em massa, enquanto outros são simplesmente muito fracos.
Agora, três grupos de pesquisa criaram independentemente fibras que armazenam mais energia em suas torções e bobinas, e aproveitam energia elétrica, térmica ou química para levantar pesos ou girar hélices. Seus projetos podem abrir caminho para músculos mais baratos, mais fortes e acessíveis a produções em larga escala, diz Sameh Tawfick, engenheiro mecânico da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, que trabalha com músculos artificiais e não estava envolvido nesses estudos.
'A comunidade está abraçando a ideia de usar fibras enroladas ou torcidas nesses músculos', diz Tawfick. 'À medida que essas fibras se tornam realidade, estamos prestes a ver uma grande transformação na maneira como projetamos máquinas'.
Alguns dos músculos artificiais mais fortes até hoje dependeram de fios de nanotubos de carbono que incorporam um material parceiro responsivo. Um estímulo externo, como aquecimento ou exposição a um produto químico, altera o volume do material parceiro e força o fio a se torcer para que ele possa realizar um trabalho útil.
Mas os nanotubos são caros, e a força mecânica do músculo geralmente é limitada porque o estímulo externo não pode alcançar o material no núcleo interno da fibra, diz Ray H. Baughman, da Universidade do Texas em Dallas. Portanto, sua equipe redesenhou as fibras compostas, envolvendo uma bainha de polímero responsivo em torno de núcleos de fios baratos, como seda ou POLIACRILONITRILA , e torcendo-as firmemente antes que o revestimento seque (Science 2019, DOI: 10.1126 / science.aaw2403).
Em um exemplo, uma bainha contendo poli (óxido de etileno) e um copolímero de éter vinílico de tetrafluoroetileno-sulfonil fluoreto de vinil pode se destorcer quando exposto ao vapor de etanol e depois torcer de volta a sua forma original depois que o vapor foi removido em milhares de vezes.
Uma fibra eletroresponsiva, feita a partir de uma bainha de nanotubo de carbono cheia de eletrólitos em torno de um núcleo de nylon, tinha 40 vezes mais força de elevação do que a de um músculo humano do mesmo tamanho, muito melhor que os músculos eletroquímicos anteriores, diz Baughman. Os pesquisadores também criaram uma fibra que se contraiu em resposta à glicose, que eles sugerem que poderia ser usada como um sensor para abrir ou fechar as válvulas de um dispositivo de administração de drogas dentro do corpo.
Enquanto isso, uma equipe liderada por Philippe Poulin na Universidade de Bordeaux usou uma técnica de fiação úmida - amplamente usada para fabricar fibras poliméricas em massa - para criar músculos artificiais a partir de álcool polivinílico e flocos de óxido de grafeno (Science 2019, DOI: 10.1126 / science .aaw3722). Os pesquisadores aqueceram a fibra a 100 ° C, torceram-na com força e depois a esfriaram até a temperatura ambiente para prender o material em sua estrutura espiralada. Quando os pesquisadores aquecem essa fibra de “memória de forma” novamente, ela se destorce para sua forma reta original. O óxido de grafeno torna a fibra mais rígida, mais forte e mais resistente, para que possa ser torcida com mais força e armazenar mais energia sem quebrar, permitindo que ela faça mais trabalho enquanto destorce.
'É uma estrutura bastante simples, mas com densidade de energia extremamente alta', diz Poulin. Os pesquisadores usaram fibras de 100 μm de diâmetro para formar um fio de 12 cm e engancharam-no a um barco de brinquedo. Colocadas em um banho de óleo de silicone a 100 ° C, as fibras se torceram rapidamente e giraram uma hélice que fez o barco disparar ao longo do banho.
Embora a fibra possa se destorcer apenas uma vez, a equipe tem como objetivo desenvolver misturas de outros materiais, como copolímeros em bloco, que podem se torcer várias vezes. 'Por ter estruturas mais complexas, podemos ter respostas mais complexas', diz Poulin.
A terceira equipe, liderada por Polina Anikeeva no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, criou músculos artificiais inspirados na arquitetura das gavinhas de pepino, os fios ondulados que puxam a planta para a luz do sol. Cada fibra muscular contém um sanduíche de dois materiais, com polietileno de um lado e um elastômero de copolímero de olefina cíclica do outro. Depois que o material é sintetizado e esticado, o elastômero se contrai e puxa a fibra para uma bobina. Como os dois materiais também têm propriedades térmicas muito diferentes, o aquecimento da fibra os faz mudar de forma a taxas diferentes, fazendo com que a fibra em espiral se contraia ainda mais (Science 2019, DOI: 10.1126 / science.aaw2502).
As fibras são tão responsivas que uma mudança de temperatura de apenas 14 ° C causou uma contração de 50% em uma fibra de 1 mm de largura. Depois que o calor foi removido, a fibra imediatamente relaxou de volta à sua forma anterior. As fibras podem executar milhares desses ciclos, contraindo muito mais rapidamente do que os músculos artificiais anteriores, e podem levantar 650 vezes o seu próprio peso. Anikeeva visa integrar elementos de aquecimento em forma de fio nas fibras, para que possam eventualmente ser utilizados em membros protéticos ou robôs cirúrgicos que trabalham em ambientes confinados, como artérias.
Talvez o principal obstáculo para todas essas fibras musculares artificiais seja que sua eficiência energética ainda seja de apenas alguns por cento, diz Tawfick. A afinação da química das fibras pode ajudar a resolver isso. 'Mal arranhamos a superfície', concorda Anikeeva. 'Existem muitos, muitos materiais que podem ser incorporados a uma fibra que poderia melhorar seu desempenho'.


Traduzido da Fonte.

Source:

https://cen.acs.org/materials/Twisted-fibers-strengthen-artificial-muscles/97/i29

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