Anche se l’elettronica si è ridotta sempre di più, motori, idraulica e altri gadget usati per guidare il movimento hanno ostinatamente resistito alla tendenza. È difficile realizzare e assemblare meccanismi minuscoli in grado di fornire le forze e gestire le sollecitazioni necessarie per guidare parti mobili eccezionalmente piccole. Questa settimana su Science, diversi team di ricercatori presentano studi che descrivono i progressi nella creazione di piccoli muscoli artificiali, che utilizzano minuscole fibre ritorte per immagazzinare e rilasciare energia. Le fibre potrebbero essere impiegate in tutto, dai robot in miniatura alle valvole nei dispositivi medici.
Queste fibre, che spesso includono polimeri leggeri come il nylon o il polietilene ad alta densità, possono essere più potenti, in base al loro peso, rispetto ai muscoli umani. Come si contraggono, alcuni possono sollevare più di 1.000 volte la propria massa, dice Sameh Tawfick, un ingegnere meccanico presso l’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign. Le fibre consentono agli ingegneri di immagazzinare molta energia in un piccolo spazio, che “consente loro di fare cose che altrimenti non possono fare”, osserva Tawfick, che è co-autore di una prospettiva sugli studi pubblicati nello stesso numero di Science.
Uno dei nuovi progetti di muscoli artificiali è, in sostanza, una piccola versione high-tech degli elastici utilizzati per spingere gli aeroplani in legno di balsa. Ma queste fibre non richiedono avvolgimento ogni volta che vengono utilizzati, dice Jinkai Yuan, uno scienziato dei materiali presso l’Università di Bordeaux in Francia e un co-autore di uno degli studi. Invece sono fatti di un polimero a” memoria di forma ” che si torce e si distorce mentre la temperatura del materiale cambia.
Ecco come la squadra di Yuan ha fatto i suoi muscoli: in primo luogo, i ricercatori hanno riscaldato una fibra lunga due centimetri, 40 micron di diametro di un materiale chiamato alcool polivinilico (PVA) sopra la sua cosiddetta temperatura di programmazione. (Sopra questa temperatura, il materiale assume naturalmente una forma; sotto di esso, il materiale può prenderne un’altra. Se le temperature oscillano intorno a questa soglia, il materiale si alterna tra le due forme.) Dopo aver attorcigliato la fibra per immagazzinare energia, l’hanno raffreddata per congelarne la forma. Quando la fibra è stata ancora una volta riscaldata al di sopra della sua temperatura di programmazione, rapidamente non attorcigliato alla sua forma originale, Yuan dice.
Sebbene una fibra PVA potesse immagazzinare una notevole quantità di energia, il team ha scoperto che l’aggiunta di scaglie di ossido di grafene da tre a cinque micron al materiale permetteva di bloccarlo ancora di più. Questo perché quei fiocchi fletterebbero—e quindi immagazzinerebbero energia, come una molla potrebbe-quando la fibra fu prima attorcigliata, ma poi rilasciarono quell’energia mentre non si attorcigliava. Nei test di laboratorio del team, una fibra untwisting filato un po ‘ di carta a 600 giri al minuto per ben cinque secondi. Per dimostrare la capacità di accumulo di energia della fibra, il team ne ha usato uno per spingere una barca giocattolo. Su una nota più pratica, questo tipo di muscolo artificiale potrebbe anche aprire e chiudere piccole valvole nei dispositivi medici, suggerisce Yuan.
Mentre le fibre prodotte da Yuan e dai suoi colleghi forniscono coppia mentre si torcono e si districano, i muscoli artificiali sviluppati da altri team funzionano più come muscoli reali: funzionano tirando o sollevando oggetti. Un team guidato da ricercatori del Massachusetts Institute of Technology ha creato fibre che possono allungare più del 1.000 per cento della loro dimensione iniziale e sollevare più di 650 volte il proprio peso. Essi operano su un principio simile alle strisce bimetalliche nei primi termostati: la fibra è fatta legando due materiali che si espandono a tassi radicalmente diversi come la temperatura del loro ambiente cambia, dice Polina Anikeeva, uno scienziato materiali presso M. I. T. e autore senior di tale studio.
Il nuovo muscolo artificiale del suo team contiene un polietilene ad alta densità (HDPE), lo stesso tipo di plastica usato per produrre bottiglie riciclabili. Ha anche un altro materiale, un tipo elastico di polimero noto come elastomero, dice Anikeeva. Poiché piccoli blocchi di queste sostanze vengono riscaldati e disegnati attraverso un ugello stretto, si legano e vengono allungati in una fibra lunga e sottile. Quando la tensione nella fibra viene rilasciata, l’elastomero si restringe alle sue dimensioni originali. Questo cambiamento, a sua volta, fa sì che la fibra si avvolga in una forma a molla simile a un vecchio cavo telefonico. Quando la fibra viene riscaldata o raffreddata, l’HDPE si espande o si contrae circa cinque volte più velocemente dell’elastomero a cui è legato, che tende ad accorciare o aumentare la lunghezza complessiva della fibra arrotolata, rispettivamente.
Quando Anikeeva e i suoi colleghi hanno riscaldato una delle loro fibre di 14 gradi Celsius in quattro secondi, il muscolo artificiale si è ridotto in lunghezza totale di un enorme 50 per cento. In altri test, il team ha riscaldato e raffreddato le fibre per sollevare pesi leggeri o flettere un piccolo braccio robotico. Anche se quei test sollevato pesi gram-size, fasci massicci di tali fibre potrebbero essere utilizzati per eseguire sollevamento più pesante o tirando, Anikeeva dice. Le fibre di diametro maggiore, o fasci di esse, potrebbero trovare usi nella robotica o negli arti protesici, osserva.
Un altro team che ha riportato il suo lavoro nella Scienza di questa settimana ha affrontato i muscoli artificiali in un modo completamente diverso. Sebbene i suoi dispositivi fossero costruiti attorno a un nucleo di fibre ritorte, la parte attiva del muscolo era in realtà una sottile guaina di materiale che circondava il nucleo. L’utilizzo di tale guaina ha avuto diversi vantaggi, afferma Ray Baughman, team leader e scienziato dei materiali presso l’Università del Texas a Dallas. Per prima cosa, osserva, consente agli ingegneri di utilizzare materiali più economici per il nucleo di una fibra. Lui ei suoi colleghi hanno sviluppato muscoli guaina-driven costruiti intorno nuclei in nylon, seta e filati di bambù. I loro test mostrano che la scelta del materiale per il nucleo di una fibra non ha un impatto drammatico sulle sue prestazioni.
Ci sono altri motivi per costruire i muscoli guaina-driven, Baughman dice. L’esterno della fibra è dove gli stimoli ambientali, come l’umidità o la presenza di alcune sostanze che guidano il suo movimento, saranno più rapidamente percepiti, spiega. Inoltre, gonfiore e restringimento nella guaina, che è più lontano dal centro della fibra, eserciterà più leva rispetto ai cambiamenti equivalenti vicino al nucleo della fibra.
A differenza degli altri team, Baughman e i suoi colleghi hanno sviluppato fibre che rispondono a più di semplici cambiamenti di temperatura. Alcuni sfoggiavano guaine muscolari che si gonfiano quando esposti al vapore di etanolo; altri sono stati impiallacciati con un materiale che si restringe quando immerso in una soluzione di glucosio. Questi tipi di fibre potrebbero essere utilizzati per aprire o chiudere valvole in dispositivi medici o per spremere un piccolo sacchetto e dispensare un farmaco. Le fibre che rispondono al sudore o al vapore acqueo potrebbero essere tessute in” tessuti intelligenti ” che regolano la tenuta della loro trama per diventare più traspiranti in condizioni calde e umide, dice Baughman. In alternativa, i rivestimenti che rispondono ai vapori nocivi potrebbero stringere la trama di un tessuto per proteggere le persone che rispondono a una fuoriuscita di sostanze chimiche.
“Sono estremamente entusiasta degli sviluppi” riportati da questi team, afferma Tawfick. “Questa tecnologia ha un futuro molto luminoso.”
