mesmo que a electrónica tenha encolhido cada vez mais, os motores, a hidráulica e outros dispositivos usados para conduzir o movimento resistiram obstinadamente à tendência. É difícil fazer e montar mecanismos minúsculos que possam fornecer as forças e lidar com as tensões necessárias para dirigir peças móveis excepcionalmente pequenas. Esta semana na ciência, várias equipes de pesquisadores apresentam estudos descrevendo avanços na criação de pequenos músculos artificiais – todos os quais usam fibras torcidas minúsculas para armazenar e liberar energia. As fibras podem ser usadas em tudo, desde robôs em miniatura a válvulas em dispositivos médicos.Estas fibras, que muitas vezes incluem polímeros leves como nylon ou polietileno de alta densidade, podem ser mais poderosas, com base no seu peso, do que os músculos humanos. Como eles contratam, alguns podem levantar mais de 1.000 vezes a sua própria missa, diz Sameh Tawfick, um engenheiro mecânico da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. As fibras permitem que os engenheiros armazenem muita energia em um pequeno espaço, o que” permite que eles façam coisas que eles não podem fazer de outra forma”, observa Tawfick, que co-escreveu uma perspectiva sobre os estudos publicados na mesma edição da ciência.
um dos novos projetos musculares artificiais é, em essência, uma pequena versão de alta tecnologia dos elásticos usados para impulsionar aviões balsa-wood. Mas essas fibras não exigem enrolamento cada vez que são usadas, diz Jinkai Yuan, um cientista de Materiais da Universidade de Bordeaux, na França, e co-autor de um dos estudos. Em vez disso, eles são feitos de um polímero de” memória de forma ” que gira e untwists como a temperatura do material muda.
aqui está como a equipe de Yuan fez seus músculos: primeiro, os pesquisadores aqueceram uma fibra de dois centímetros de diâmetro de 40 micron de um material chamado álcool polivinílico (PVA) acima de sua chamada temperatura de programação. (Acima desta temperatura, o material naturalmente toma uma forma; abaixo dele, o material pode tomar outra. Se as temperaturas flutuam em torno deste limiar, o material alterna entre as duas formas. Depois de torcer a fibra para armazenar energia, eles esfriaram-na para congelar sua forma. Quando a fibra foi mais uma vez aquecida acima de sua temperatura de programação, ela rapidamente não listou a sua forma original, Yuan diz.
embora uma fibra de PVA pudesse armazenar uma quantidade substancial de energia, a equipe descobriu que a adição de flocos de óxido de grafeno de três a cinco micron ao material permitiu que ele fechasse ainda mais. Isso é porque esses flocos flex-e, portanto, armazenar energia, como uma mola poderia—quando a fibra foi primeiramente torcida, mas, em seguida, liberar essa energia como ele não listado. Nos testes de laboratório da equipa, uma fibra não existente rodou um pouco de papel a 600 revoluções por minuto durante cinco segundos. Para demonstrar a capacidade de armazenamento de energia da fibra, a equipe usou um para impulsionar um barco de brinquedo. Em uma nota mais prática, este tipo de músculo artificial também poderia abrir e fechar pequenas válvulas em dispositivos médicos, sugere Yuan.Enquanto que as fibras feitas por Yuan e seus colegas fornecem torque à medida que torcem e untwist, os músculos artificiais desenvolvidos por outras equipes trabalham mais como músculos reais: eles trabalham puxando ou levantando objetos. Uma equipe liderada por pesquisadores do Instituto de tecnologia de Massachusetts criou fibras que podem esticar mais de 1.000 por cento de seu tamanho inicial e levantar mais de 650 vezes o seu próprio peso. Eles operam em um princípio semelhante às tiras bimetálicas em termóstatos iniciais: a fibra é feita pela ligação de dois materiais que se expandem em taxas radicalmente diferentes à medida que a temperatura de seu ambiente muda, diz Polina Anikeeva, uma cientista de Materiais da M. I. T. e autora sênior desse estudo.
o novo músculo artificial da sua equipa contém um polietileno de alta densidade (HDPE), o mesmo tipo de plástico utilizado para fazer garrafas recicláveis. Ele também tem outro material, um tipo de polímero elastômero, diz Anikeeva. Como pequenos blocos destas substâncias são aquecidos e puxados através de um bocal estreito, eles se ligam e são esticados em uma fibra longa e fina. Quando a tensão na fibra é liberada, o elastômero encolhe de volta ao seu tamanho original. Essa mudança, por sua vez, faz com que a fibra se enrole em uma forma de mola semelhante a uma corda velha do telefone. Como a fibra é aquecida ou resfriada, o HDPE se expande ou contrai cerca de cinco vezes mais rápido do que o elastômero ao qual está ligada, o que tende a encurtar ou aumentar o comprimento total da fibra enrolada, respectivamente.Quando Anikeeva e seus colegas aqueceram uma de suas fibras em 14 graus Celsius durante quatro segundos, o músculo artificial encolheu em comprimento total a 50%. Em outros testes, a equipe aqueceu e esfriou fibras para levantar pesos leves ou flectir um pequeno braço robótico. Embora esses testes levantassem pesos de grama, pacotes maciços de tais fibras poderiam ser usados para realizar levantamentos ou puxões mais pesados, diz Anikeeva. Fibras de maior diâmetro, ou pacotes delas, podem encontrar usos em robótica ou próteses, observa ela.
outra equipa que relata o seu trabalho na ciência desta semana abordou os músculos artificiais de uma forma totalmente diferente. Embora seus dispositivos foram construídos em torno de um núcleo de fibras torcidas, a parte ativa do músculo era na verdade uma fina bainha de material em torno do núcleo. Usando tal bainha teve vários benefícios, diz Ray Baughman, líder de equipe e um cientista de materiais na Universidade do Texas em Dallas. Por um lado, ele observa, ele permite que os engenheiros usem materiais mais baratos para o núcleo de uma fibra. Ele e seus colegas desenvolveram músculos movidos por bainhas construídos em torno de núcleos feitos de fios de nylon, seda e bambu. Seus testes mostram que a escolha do material para o núcleo de uma fibra não tem impacto dramático em seu desempenho.Há outras razões para construir músculos movidos a Baughman, diz. O exterior da fibra é onde os estímulos ambientais, como a umidade ou a presença de certas substâncias que impulsionam o seu movimento, serão mais rapidamente sentidos, explica. Além disso, inchaço e encolhimento na bainha, que está mais longe do centro da fibra, vai exercer mais alavancagem do que mudanças equivalentes perto do núcleo da fibra.Ao contrário das outras equipes, Baughman e seus colegas desenvolveram fibras que respondem a mais do que apenas mudanças de temperatura. Alguns movimentos musculares incham quando expostos ao vapor de etanol.; outros foram veneados com um material que encolhe quando encharcado em uma solução de glicose. Este tipo de fibras pode ser usado para abrir ou fechar válvulas em dispositivos médicos ou para espremer uma pequena bolsa e dispensar uma droga. Fibras que respondem ao suor ou vapor de água podem ser tecidas em” tecidos inteligentes ” que ajustam a Aperto de suas extensões para se tornar mais respirável em condições quentes e úmidas, diz Baughman. Alternativamente, revestimentos que respondem a vapores nocivos podem apertar a tecelagem de um tecido para proteger as pessoas que respondem a um derrame químico.
“i’m extremely excited about the developments” reported by these teams, Tawfick says. “Esta tecnologia tem um futuro muito brilhante.”
