A pesar de que la electrónica se ha reducido cada vez más, los motores, el sistema hidráulico y otros dispositivos utilizados para impulsar el movimiento se han resistido obstinadamente a la tendencia. Es difícil fabricar y ensamblar mecanismos minúsculos que puedan proporcionar las fuerzas y manejar las tensiones necesarias para accionar piezas móviles excepcionalmente pequeñas. Esta semana en Science, varios equipos de investigadores presentan estudios que describen los avances en la fabricación de pequeños músculos artificiales, todos los cuales utilizan pequeñas fibras retorcidas para almacenar y liberar energía. Las fibras se podían emplear en todo, desde robots en miniatura hasta válvulas en dispositivos médicos.
Estas fibras, que a menudo incluyen polímeros ligeros como el nailon o el polietileno de alta densidad, pueden ser más potentes, en función de su peso, que los músculos humanos. A medida que se contraen, algunos pueden levantar más de 1.000 veces su propia masa, dice Sameh Tawfick, ingeniero mecánico de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. Las fibras permiten a los ingenieros almacenar mucha energía en un espacio pequeño, lo que «les permite hacer cosas que de otra manera no podrían hacer», señala Tawfick, quien es coautor de una perspectiva sobre los estudios publicados en el mismo número de Science.
Uno de los nuevos diseños de músculos artificiales es, en esencia, una versión pequeña y de alta tecnología de las bandas de goma utilizadas para propulsar aviones de madera de balsa. Pero estas fibras no requieren enrollarse cada vez que se usan, dice Jinkai Yuan, científico de materiales de la Universidad de Burdeos en Francia y coautor de uno de los estudios. En cambio, están hechos de un polímero de» memoria de forma » que se retuerce y desenrolla a medida que cambia la temperatura del material.
Así es como el equipo de Yuan hizo sus músculos: Primero, los investigadores calentaron una fibra de dos centímetros de largo y 40 micrones de diámetro de un material llamado alcohol polivinílico (PVA) por encima de su llamada temperatura de programación. (Por encima de esta temperatura, el material toma naturalmente una forma; por debajo de ella, el material puede tomar otra. Si las temperaturas fluctúan alrededor de este umbral, el material se alterna entre las dos formas.) Después de torcer la fibra para almacenar energía, la enfriaron para congelar su forma. Cuando la fibra se calentó una vez más por encima de su temperatura de programación, se desenroscó rápidamente a su forma original, dice Yuan.
Aunque una fibra de PVA podría almacenar una cantidad sustancial de energía, el equipo descubrió que agregar copos de óxido de grafeno del tamaño de tres a cinco micrones al material le permitía encerrar aún más. Esto se debe a que esas escamas se flexionarían y, por lo tanto, almacenarían energía, como lo haría un resorte, cuando la fibra se retorciera por primera vez, pero luego liberarían esa energía al desenroscarse. En las pruebas de laboratorio del equipo, una fibra desenrollada hiló un trozo de papel a 600 revoluciones por minuto durante cinco segundos completos. Para demostrar la capacidad de almacenamiento de energía de la fibra, el equipo utilizó una para propulsar un bote de juguete. En una nota más práctica, este tipo de músculo artificial también podría abrir y cerrar válvulas diminutas en dispositivos médicos, sugiere Yuan.
Mientras que las fibras fabricadas por Yuan y sus colegas proporcionan torque a medida que se tuercen y desenrollan, los músculos artificiales desarrollados por otros equipos funcionan más como músculos reales: funcionan tirando o levantando objetos. Un equipo liderado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts creó fibras que pueden estirar más del 1,000 por ciento de su tamaño inicial y levantar más de 650 veces su propio peso. Funcionan con un principio similar a las tiras bimetálicas de los termostatos tempranos: la fibra se fabrica mediante la unión de dos materiales que se expanden a velocidades radicalmente diferentes a medida que cambia la temperatura de su entorno, dice Polina Anikeeva, científica de materiales en el M. I. T. y autora principal de ese estudio.
El nuevo músculo artificial de su equipo contiene polietileno de alta densidad (HDPE), el mismo tipo de plástico utilizado para fabricar botellas reciclables. También tiene otro material, un tipo elástico de polímero conocido como elastómero, dice Anikeeva. A medida que se calientan y extraen pequeños bloques de estas sustancias a través de una boquilla estrecha, se unen y se estiran en una fibra larga y delgada. Cuando se libera tensión en la fibra, el elastómero se contrae a su tamaño original. Ese cambio, a su vez, hace que la fibra se enrolle en una forma de resorte que se asemeja a un cable de teléfono viejo. A medida que la fibra se calienta o enfría, el HDPE se expande o contrae aproximadamente cinco veces más rápido que el elastómero al que está unido, lo que tiende a acortar o aumentar la longitud total de la fibra enrollada, respectivamente.
Cuando Anikeeva y sus colegas calentaron una de sus fibras en 14 grados centígrados durante cuatro segundos, el músculo artificial se contrajo en longitud total un 50 por ciento. En otras pruebas, el equipo calentó y enfrió fibras para levantar pesas ligeras o flexionar un brazo robótico pequeño. Aunque esas pruebas levantaron pesos de tamaño gramo, se podrían usar paquetes masivos de tales fibras para realizar levantamientos o tirones más pesados, dice Anikeeva. Las fibras de mayor diámetro, o haces de ellas, podrían ser útiles en la robótica o en prótesis de extremidades, señala.
Otro equipo que informó de su trabajo en Science de esta semana abordó los músculos artificiales de una manera totalmente diferente. Aunque sus dispositivos estaban construidos alrededor de un núcleo de fibras retorcidas, la parte activa del músculo era en realidad una delgada envoltura de material que rodeaba el núcleo. El uso de tal funda tuvo varios beneficios, dice Ray Baughman, líder de equipo y científico de materiales de la Universidad de Texas en Dallas. Por un lado, señala, permite a los ingenieros utilizar materiales más baratos para el núcleo de una fibra. Él y sus colegas han desarrollado músculos impulsados por vainas construidos alrededor de núcleos hechos de hilos de nylon, seda y bambú. Sus pruebas muestran que la elección del material para el núcleo de una fibra no afecta drásticamente su rendimiento.
Hay otras razones para construir músculos impulsados por vainas, dice Baughman. El exterior de la fibra es donde los estímulos ambientales, como la humedad o la presencia de ciertas sustancias que impulsan su movimiento, se sentirán más rápidamente, explica. Además, la hinchazón y contracción en la funda, que está más lejos del centro de la fibra, ejercerá más influencia que los cambios equivalentes cerca del núcleo de la fibra.
A diferencia de los otros equipos, Baughman y sus colegas desarrollaron fibras que responden a algo más que a los cambios de temperatura. Algunas vainas musculares lucidas que se hinchan cuando se exponen al vapor de etanol; otros fueron revestidos con un material que se encoge cuando se empapa en una solución de glucosa. Este tipo de fibras se pueden usar para abrir o cerrar válvulas en dispositivos médicos o para apretar una pequeña bolsa y dispensar un medicamento. Las fibras que responden al sudor o al vapor de agua se podrían tejer en «telas inteligentes» que ajustan la rigidez de su tejido para que se vuelvan más transpirables en condiciones cálidas y húmedas, dice Baughman. Alternativamente, los recubrimientos que responden a vapores nocivos podrían apretar el tejido de una tela para proteger a las personas que responden a un derrame químico.
«Estoy extremadamente entusiasmado con los desarrollos» reportados por estos equipos, dice Tawfick. «Esta tecnología tiene un futuro muy brillante.»
