En los últimos años, investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y colegas de la Universidad de Wollongong en Australia han dado un giro de alta tecnología al antiguo arte del hilado de fibras, utilizando materiales modernos para crear formas ultra fuertes y poderosas.-hilos de cambio.
En un artículo en perspectiva publicado el 26 de septiembre en línea en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , un equipo de científicos en el Instituto Alan G. MacDiarmid NanoTech de UT Dallas describe el camino para desarrollar una nueva clase de músculos artificiales hechos de fibras altamente retorcidas de diversos materiales, que van desde nanotubos de carbono exóticos hasta hilos de nylon normales y líneas de pesca de polímeros.
Debido a que los músculos artificiales pueden fabricarse en diferentes tamaños y configuraciones, las aplicaciones potenciales van desde robótica y prótesis hasta productos de consumo, como textiles inteligentes que cambian la porosidad y la forma en respuesta a la temperatura.
"Llamamos a estas fibras actuantes 'músculos artificiales' porque imitan el factor de forma similar a la fibra de los músculos naturales", dijo el Dr. Carter Haines, profesor asociado de investigación en el Instituto NanoTech y coautor del estudio PNAS artículo, con el investigador asociado Dr. Na Li. "Si bien el nombre evoca la idea de robots humanoides, estamos muy entusiasmados con su uso potencial para otras aplicaciones prácticas, como en los textiles inteligentes de próxima generación". Science Based on AncientArte
El hilado de pieles de animales y fibras vegetales para hacer hilos e hilados se remonta miles de años. Al alinear las fibras y luego torcerlas en hilado se le da resistencia al hilado.
Al explotar este concepto y agregar la ciencia del siglo XXI, los investigadores de UT Dallas han producido hilos musculares actuadores que, al igual que sus contrapartes de lana, se pueden tejer, coser y tejer en textiles.
Por ejemplo, los nanotubos de carbono son esencialmente zarcillos de diminutos tubos huecos que son súper fuertes y eléctricamente conductores. En 2004, dirigido por el Dr. Ray Baughman, director del Instituto NanoTech y la Cátedra Distinguida Robert A. Welch de Química enUT Dallas, el equipo desarrolló un método para dibujar "bosques" de nanotubos en láminas de fibras alineadas, muy parecidas a la lana cardada, y luego torcer las láminas en hilos.
Luego, el grupo recurrió a fibras de polímero como hilo de coser de nylon y hilo de pescar, que consisten en muchas moléculas individuales alineadas a lo largo de la longitud de la fibra. Torciendo el hilo o hilo de pescar orienta estas moléculas en hélices, produciendo torsión - o rotación -- músculos artificiales que pueden hacer girar un rotor pesado más de 100,000 revoluciones por minuto.
Cuando estos músculos están tan retorcidos que se enrollan como una banda de goma demasiado retorcida, pueden producir una actuación de tracción, donde el músculo se contrae dramáticamente a lo largo de su longitud cuando se calienta y vuelve a su longitud inicial cuando se enfría. Esa investigación, publicadaen 2014, demostró que los músculos simples y de bajo costo hechos con hilo de pescar pueden levantar 100 veces más peso y generar una potencia mecánica 100 veces mayor que un músculo esquelético humano de la misma longitud y peso.
"El éxito de nuestros músculos se deriva de su geometría especial y del hecho de que comenzamos con materiales que son anisotrópicos; cuando se calientan, los materiales se expanden en diámetro mucho más de lo que se expanden a lo largo de su longitud", dijo Baughman, seniorautor de la PNAS perspectiva. Esta anisotropía es una propiedad intrínseca de las fibras poliméricas de alta resistencia, y es el mismo principio que impulsa los músculos artificiales poderosos que los investigadores descubrieron en 2012, que hicieron al agregar un material "huésped" térmicamente sensible dentro de un hilo de nanotubos de carbono.
"Cuando estas fibras se retuercen y enrollan, su geometría interna cambia de modo que cuando se calientan, la expansión del diámetro da como resultado un cambio en la longitud", dijo Baughman. "El diámetro de la fibra solo tiene que expandirse en aproximadamente un 5 por ciento paraconducir cambios gigantes de longitud "
El último giro
En sus experimentos más recientes, descritos por primera vez en el artículo de PNAS, Haines y Li agregaron un nuevo giro a sus músculos artificiales. "Los músculos artificiales enrollados que hicimos inicialmente con hilo de coser e hilo de nylon tenían una cantidad limitadapodrían expandirse y contraerse a lo largo de su longitud ", dijo Haines." Debido a su geometría, como un cable telefónico, solo pudieron contraerse hasta mucho antes de que las bobinas comenzaran a chocar entre sí ".
La solución: formar los actuadores en espiral en espirales.
"La ventaja de la forma espiral es que ahora nuestro músculo puede contraerse en un estado plano, expandirse en la otra dirección y volver a su longitud original, todo sin quedarse atascado en sí mismo", dijo Li. "Nuestros experimentos paraLa fecha ha sido una prueba de concepto, pero ya ha demostrado que podemos usar calefacción y refrigeración para impulsar este movimiento de ida y vuelta a través de un rango gigante. Este tipo de actuador telescópico puede producir un cambio de longitud de más del 8,600 por ciento, en comparacióna alrededor del 70 por ciento para nuestras bobinas anteriores "
Ropa inteligente
Li dijo que una posible aplicación para la bobina en forma de espiral podría ser la ropa que responde térmicamente. En lugar de una chaqueta rellena, un abrigo que incorpora muchas bobinas pequeñas podría cambiar el loft y el poder aislante de la prenda en respuesta a la temperatura.
En el laboratorio, Haines y Li han producido carretes de hilos musculares de polímero en espiral adecuados para coser. "Hemos demostrado que estas fibras térmicamente sensibles pueden usarse en máquinas convencionales, como telares, máquinas de tejer y máquinas de coser", dijo Li"A medida que avanzamos en nuestra investigación y la ampliamos, esperamos incorporar nuestras ideas en telas y textiles funcionales para una variedad de propósitos, desde ropa hasta arquitectura ambientalmente sensible y esculturas de arte dinámicas".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Dallas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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