A pesar de su notable flexibilidad, los músculos artificiales blandos de hoy en día luchan por proporcionar una fuerza significativa. Esto limita su uso en máquinas reales, aunque pueden doblarse, estirarse y girarse de maneras que los motores rígidos no pueden.
Los robots que trabajan en espacios reducidos, los sistemas portátiles que se mueven naturalmente con el cuerpo y las herramientas quirúrgicas que son lo suficientemente suaves con el tejido vivo se consideran prometedores, pero su suavidad molecular continúa debilitándolos.
Una forma en que los ingenieros pueden capturar este cuello de botella es la densidad de trabajo: la cantidad de energía mecánica que un actuador puede entregar por unidad de volumen, expresada en kilojulios por metro cúbico. En la práctica, refleja cuánto puede empujar, tirar o levantar un material en comparación con su tamaño. Los polímeros blandos se estiran fácilmente pero producen poca fuerza, mientras que los polímeros más rígidos producen fuerza pero apenas se mueven.
Superar las limitaciones clave del rendimiento de los músculos artificiales
Durante años, todas las principales tecnologías de músculos artificiales se han topado con el mismo problema: pueden estirarse mucho o producir una fuerza intensa, pero no ambas cosas. Los elastómeros dieléctricos se estiran ampliamente, pero requieren una gran tensión y permanecen débiles. Los hilos de nanotubos de carbono son livianos pero ofrecen poca elevación. Los elastómeros de cristal líquido se mueven con elegancia, pero aportan una energía modesta. Incluso la musculatura natural combina sólo cargas moderadas y baja densidad de trabajo.
Ahora, investigadores del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Ulsan de Corea del Sur han roto ese patrón. Su actuador de polímero magnético de doble reticulación logra una densidad de trabajo de 1150 kJ m⁻3 y un voltaje de actuación del 86,4 %, estableciendo un nuevo punto de referencia de rendimiento para músculos artificiales blandos. nanotrabajo escribe
Este nuevo material combina una flexibilidad extrema con una resistencia notable. Puede estirarse hasta más de doce veces su longitud original antes de romperse, y puede cambiar de un estado blando y gomoso a un estado rígido, parecido al plástico, cambiando su rigidez más de mil veces. El avance proviene del diseño molecular inteligente, que permite que el mismo polímero actúe como caucho y plástico. Dentro del material, la red se mantiene unida mediante dos tipos de conexiones.
El nuevo actuador de polímero almacena y libera energía según sea necesario.
Lo que hace que este material sea particularmente poderoso es que puede funcionar en dos modos diferentes. Cuando se calienta por encima de aproximadamente 99 °F, el polímero se ablanda, permitiendo que el campo magnético se estire, doble o tuerza. Salta hacia atrás cuando se apaga la pista. Cuando se enfría por debajo de aproximadamente 80 °F, fija la nueva forma en su lugar y almacena energía. El recalentamiento libera energía almacenada, lo que hace que el actuador se contraiga y realice un trabajo útil.
En las pruebas, el equipo encontró la fórmula óptima utilizando aproximadamente 0,39 onzas de partículas magnéticas y una pequeña cantidad de reticulante. En esta relación, el actuador alcanzó una tensión del 86,4% y una densidad operativa récord de aproximadamente 33.000 pies-libras/pies cúbicos. Recuperó casi el 100 % de su forma, retuvo más del 87 % de su rendimiento después de 300 ciclos y aún mantuvo más de 4000 veces su propio peso. Su producción alcanzó aproximadamente 0,54 caballos de fuerza por tonelada, lo que lo hace competitivo con los mejores músculos artificiales actuales.
Las pruebas con robots han demostrado que el material también puede funcionar en máquinas reales. En su estado blando, el actuador agarraba objetos magnéticamente. Luego se calentó con un láser enfocado, lo que provocó que se contrajera y levantara pesos de entre 2,7 y 4,1 onzas, con una recuperación de forma del 39% al 52%. En comparación con otras tecnologías, este actuador opera en un rango de rendimiento que no se había logrado antes: los hidrogeles se estiran entre un 40% y un 65%, pero permanecen por debajo de aproximadamente 11,800 ft-lb/cu.ft.
