MIT cria fibras musculares artificiais de nylon

Músculos artificiais são materiais que podem se contrair e contrair como fibras musculares. Eles podem ser usados ​​em muitos campos: dos componentes de robótica às indústrias automotiva e de aviação. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts disseram ter desenvolvido o sistema mais simples e barato para criar esses "músculos".

Um componente-chave a partir do qual os cientistas do MIT fabricaram fibras musculares artificiais é uma fibra de nylon barata e generalizada. Uma nova abordagem para o uso deste material é a formação e aquecimento de fibras de uma certa maneira.


Anteriormente, os pesquisadores desenvolveram o princípio do uso de espirais trançadas de fios de nylon para imitar o trabalho progressivo dos músculos. Eles mostraram que em um tamanho e peso específicos, esses dispositivos poderiam expandir e contrair, armazenar e liberar mais energia do que os músculos naturais. Mas repetir os movimentos de flexão dos dedos e membros de uma pessoa é uma tarefa mais difícil. Segundo os pesquisadores do MIT, antes deles ninguém era capaz de resolver esse problema de maneira simples e barata.

Existem materiais que podem ser usados ​​para reproduzir movimentos de flexão em dispositivos biomédicos ou telas táteis. Mas na maioria das vezes esses materiais são "exóticos" e caros, é difícil produzi-los. Por exemplo, nanotubos de carbono- material durável que pode suportar mais de um milhão de ciclos de compressão, mas ainda é muito caro para uso generalizado. As ligas com memória de forma fornecem forte tensão, mas suportam apenas 1000 ciclos.

O novo sistema utiliza material barato e um processo de fabricação simples. O nylon pode suportar um número suficiente de ciclos devido ao método de formação de fibras de nylon. Alguns materiais feitos de fibras poliméricas, incluindo o nylon, têm uma propriedade incomum: quando aquecidos, diminuem em comprimento, mas expandem em diâmetro. Alguns cientistas usaram essa propriedade para criar dispositivos de acionamento linear. Mas, para transformar movimentos translacionais lineares em curvas, são necessários dispositivos como um bloco mecânico ou um tambor de enrolamento. Isso aumenta a complexidade e aumenta os custos. A equipe do MIT usaria diretamente o poder do movimento sem peças mecânicas adicionais.

Os acionamentos lineares feitos de materiais poliméricos têm uma grande desvantagem: o material deve ser resfriado para causar contração. A velocidade de resfriamento pode ser um fator limitante. No entanto, os cientistas perceberam que essa desvantagem poderia ser uma vantagem. O aquecimento seletivo de um lado da fibra faz com que ela se contraia mais rapidamente do que o calor atinge o lado oposto. Assim, o fio pode se desviar para o lado. Segundo o Ph.D. Seyed Mirvakili, principal autor do estudo, era necessário obter uma combinação de duas propriedades: alta tensão (tensão de contração) e baixa condutividade térmica.

Para que esse sistema funcione efetivamente como músculos artificiais, as seções transversais de fibra devem ser cuidadosamente processadas. Para alterar a seção transversal de redonda para retangular ou quadrada, a equipe parecia "achatá-las". Em seguida, os cientistas aqueceram um lado, o que fez a fibra dobrar. A mudança na direção do aquecimento levou ao fato de a fibra realizar movimentos mais complexos. Em testes de laboratório, a equipe usou esse método de aquecimento para forçar as fibras a realizar movimentos circulares e oito. Segundo os cientistas, as fibras podem se mover por caminhos mais complexos.

Como fonte de calor, é adequado um aquecedor resistivo elétrico, uma reação química ou um raio laser emitido em uma rosca. Em algumas experiências, os pesquisadores aplicaram uma tinta eletricamente condutora especial às fibras e as mantiveram no lugar com resinas adesivas. Sob tensão, apenas a parte da fibra revestida com tinta foi aquecida. Quando aquecida de um lado, a fibra pode se desviar para o lado. Se você o aquecer do lado oposto, a linha retornará à sua posição original.

Estudos demonstraram que o material pode suportar pelo menos 100 mil ciclos de flexão e pode contrair e relaxar até 17 vezes por segundo. Segundo Jan Hunter, um dos autores do estudo, essas fibras são adequadas para a produção de roupas, que serão reduzidas para se adaptar aos contornos do corpo humano. Os fabricantes poderiam reduzir a faixa de tamanhos, aumentando o conforto e simplificando o ajuste. Com as fibras dobradas, você pode fazer sapatos que ficam exatamente no pé, e sua rigidez e forma serão reguladas a cada passo.

O sistema pode ser usado para a produção de cateteres de autoajuste e outros dispositivos biomédicos. A longo prazo, sistemas mecânicos, como painéis externos para carros, podem ser criados. Os painéis de fibra ajustam sua forma aerodinâmica para se adaptarem às mudanças de velocidade e vento. Ou eles podem ser usados ​​como "sistemas de rastreamento" automáticos para painéis solares. Eles usariam o excesso de calor para controlar a direção das baterias em direção ao sol.

O trabalho científico foi publicado na revista Advanced Materials em 23 de novembro de 2016
DOI: 10.1002 / adma.201604734

Source: https://habr.com/ru/post/pt399383/