Este músculo artificial mueve cosas por sí solo

Apr 06, 2023

Max G Levy

En la sección de productos agrícolas de una tienda de comestibles, el pepino es mundano. Pero en la sección de viveros de una ferretería, dice Shazed Aziz, la planta de pepino es una maravilla.

Hace un par de años, Aziz pasó por Bunnings Warehouse, una cadena de ferretería australiana, y se dirigió directamente a una planta de pepinos en particular. El día anterior, había notado sus peculiares zarcillos: tallos delgados que sobresalen de la planta en rollos de varios tamaños y que las enredaderas de pepino usan para llegar a las superficies y levantarse para acceder a más luz solar. En su primera visita, esos rizos en forma de hélice eran largos y sueltos. "Cuando regresé a la tienda al día siguiente, estaban contratados", dice Aziz, un posdoctorado en ingeniería de materiales en la Universidad de Queensland.

Localizó a un miembro del personal y le preguntó por qué la planta había cambiado tanto y tan rápido. ¿Podría estar seco, enfermo o moribundo? No. La planta simplemente respondía a la humedad y a un día caluroso, similar a la forma en que un girasol gira para seguir al sol, un fenómeno llamado tropismo.

Como ingeniero, Aziz se animó al pensar en un material natural que respondiera al medio ambiente. Obtuvo un doctorado estudiando músculos artificiales, nuevos tipos de actuadores que son componentes de un dispositivo que, al igual que nuestros músculos, convierte los estímulos en movimiento y se puede usar para fabricar ropa motorizada, prótesis versátiles y dispositivos de movilidad impulsados ​​por electricidad o agua a presión. o aire.

Aunque estos dispositivos a menudo consisten en materiales artificiales como polímeros conductores o "aleaciones con memoria de forma" que se mueven entre formas particulares, los investigadores que estudian estos conceptos se inspiran en la naturaleza: tentáculos de pulpo versátiles, poderosas trompas de elefante y colibríes veloces. El pepino que cambia de forma en Bunnings Warehouse le dio una idea a Aziz: ¿podría alguien copiar no solo la forma helicoidal de una planta, sino también su comportamiento autónomo?

Con la planta a cuestas, Aziz condujo hasta su casa e hizo una lluvia de ideas sobre cómo presentarle el proyecto a su mentor. Luego se sumergió en artículos académicos para aprender sobre los zarcillos de pepino para poder aplicar ingeniería inversa a su comportamiento. ¿Cómo se contraen y expanden? ¿Cómo trepan contra la gravedad? Descubrió que las plantas helicoidales forman espirales a un nivel más profundo que sus zarcillos. Los hilos de fibra de celulosa microscópica llamados microfibrillas se retuercen dentro de las células vegetales, que a su vez se retuercen dentro de los haces de células, que a su vez se retuercen dentro de las espirales de los zarcillos.

Se propuso imitar esa estructura microscópica con un actuador que tiene capas sobre capas de giros, con la esperanza de capturar el movimiento similar al de una planta. Conocía exactamente el material con el que empezar: hilo. Los hilos ya son paquetes de fibras fuertemente retorcidos. Los giros similares a plantas están integrados a nivel molecular y, dado que el hilo es suave, sería fácil enrollarlo en más dimensiones.

Seis meses después, Aziz tenía un prototipo: un hilo de algodón enrollado infundido con polímeros especiales que absorben y retienen agua, llamados hidrogeles. Escribiendo en Advanced Materials en mayo, su equipo describió la imitación de las bobinas de expansión y contracción de las plantas helicoidales hasta un nivel microscópico, mostrando que su resorte de hilo se contraía automáticamente cuando estaba húmedo o frío y era lo suficientemente poderoso como para mover objetos pequeños por sí solo.

"Realmente parece imitar bastante bien el comportamiento de la planta", dice Heidi Feigenbaum, ingeniera mecánica de la Universidad del Norte de Arizona que ha estado involucrada en proyectos en los que las líneas de pesca retorcidas o los polímeros huecos se expanden y contraen como músculos, pero no forma parte del proyecto de Aziz. equipo. Ella cree que los actuadores en espiral son una bendición para el campo debido a la flexibilidad y la fuerza que brindan.

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El experimento que imita al pepino es la primera demostración del tropismo similar a una planta en un actuador, y es parte de un movimiento hacia la robótica "suave", que utiliza actuadores construidos con materiales fluidos como tela, papel, fibras y polímeros, en lugar de rígidos. juntas de metal, para priorizar el movimiento versátil. La suavidad mejoraría los robots en situaciones donde la flexibilidad y el diseño de bajo perfil son importantes, como durante la cirugía. Y un robot blando autónomo podría operar en lugares donde no hay suministro de energía eléctrica ni personas.

"Para nuestro trabajo, el éxito es demostrar que los materiales artificiales también pueden comportarse como criaturas naturales, plantas, en este caso", dice Aziz. "Así que le hemos dado a los materiales artificiales un grado de inteligencia natural".

El hilo, por supuesto, no puede moverse por sí solo. Necesita ser infundido con un material adicional que lo haga receptivo.

Aziz pasó sus giros de hilo a través de tres soluciones diferentes. Uno, un hidrogel de alginato, permitiría que el dispositivo absorbiera agua. Otro, un hidrogel hecho de poliuretano, lo hizo menos quebradizo. La capa final era un revestimiento sensible al calor. Luego enrolló el hilo alrededor de una barra de metal para que se enrollara como zarcillos de pepino. El producto final parece un resorte magenta oscuro y largo. Sus suaves espirales eclipsan las muchas capas de giros fibrosos, pero todos están ahí.

Su equipo probó las habilidades del "músculo" del hilo con una serie de experimentos. Primero, colocaron un clip en el extremo inferior de la bobina. Luego le dieron a la bobina unos chorros de agua. El hidrogel se hinchó, absorbiendo el agua. La espiral se contrajo, encogiéndose y tirando del clip hacia arriba.

Pero, ¿por qué la hinchazón del hidrogel hizo que la bobina se contrajera en lugar de expandirse? Es por esa microestructura helicoidal: el hidrógeno hinchado empujó la hélice para expandirse radialmente en espirales más anchas, y el músculo del hilo se contrajo a lo largo para compensar.

Luego, los investigadores aplicaron aire calentado por una placa caliente. Esto tuvo el efecto contrario: la bobina se relajó y bajó el sujetapapeles. Esto se debe a que el aire caliente ayuda a liberar moléculas de agua del hidrogel, lo que permite que el músculo se expanda. (El aire frío permite que esas moléculas se reabsorban, contrayendo nuevamente el músculo).

Luego preguntaron: ¿Podría esta cosa cerrar una ventana? (Eso puede parecer un desafío extraño, pero querían una demostración para demostrar que el pequeño músculo podía realizar una tarea útil por sí solo: sin fuente de energía, sin necesidad de tubos de aire o cables). Un hilo es, por supuesto, demasiado endeble para mueva una ventana de vidrio de tamaño completo, independientemente de cuántos giros le dé. Así que el equipo de Aziz hizo su propia versión de plástico del tamaño de la palma de la mano. La ventana tenía dos cristales que podían juntarse para cerrarse como persianas. Tejieron el pequeño músculo magenta a través de ambos cristales. Con un chorro de agua, el hilo se contrajo, juntando los postigos hasta que la ventana se cerró por completo.

Para Aziz, la belleza de esta microestructura es que este tipo de cambio de forma es reversible. Otros materiales de músculos artificiales, como los materiales con memoria de forma, a menudo se deforman de forma irreversible, lo que limita su uso repetido. Pero en este caso, la bobina puede contraerse o relajarse indefinidamente, respondiendo a las condiciones atmosféricas. "Cuando llega la lluvia, puede cerrar la ventana", dice. "Y cuando la lluvia se vaya, volverá a abrir la ventana".

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¿Cómo sería esto útil en el mundo real? Aziz imagina dispositivos económicos que podrían recopilar datos ambientales o científicos en lugares remotos donde las condiciones son inhóspitas o cambiantes, y donde la actuación es un beneficio: "un desierto o un área polar como la Antártida, donde no tienes los instrumentos mecánicos o eléctricos ," él dice. Piense en un telescopio en el desierto que cambia su mirada por la noche en respuesta a un gran cambio en la temperatura del aire. O tal vez ventanas automatizadas en un invernadero remoto. Tal vez podría ayudar a los bots de inspección a tomar muestras en la Antártida. O en Marte.

Feigenbaum dice que los actuadores que se mueven sin aire presurizado o baterías podrían ser útiles, pero depender del algodón y los hidrogeles para absorber agua o transferir calor requiere tiempo. El hilo puede tardar unos minutos en transformarse por completo. "Es más un reflejo de los zarcillos de las plantas que de los músculos humanos. Y en ese caso, la actuación es mucho más lenta", dice ella. Por el contrario, sus músculos torcidos de polímero hueco responden al aire o al agua a alta presión en una fracción de segundo.

En este momento, uno puede esperar un "rendimiento mucho más rápido" que estos actuadores similares a plantas, está de acuerdo Polina Anikeeva, científica de materiales e ingeniera neuronal del MIT que no participó en el nuevo artículo. "Dicho eso, este es un sistema material diferente". En 2019, el equipo de Anikeeva creó actuadores hechos de fibras poliméricas "bimorfas" que forman hélices bajo tensión y podrían usarse para prótesis fuertes. Consiguieron que se contrajeran en menos de un segundo cuando se calentaban y que levantaran más de 600 veces su peso. En junio, su equipo convirtió músculos helicoidales en pequeños robots impulsados ​​por imanes.

Pero puede imaginar casos en los que los músculos a base de hidrogel como el de Aziz podrían ser útiles. "Los hidrogeles realmente brillan en contextos biomédicos", dice Anikeeva. Se pregunta si funcionarían como músculos artificiales que podrían implantarse en tejido humano real para ayudar a repararlo. Un músculo a base de hidrogel podría coincidir con la mecánica del cuerpo, especialmente si los ingenieros pudieran hacer que los actuadores respondieran a los estímulos biológicos de la misma manera que lo hacen los nervios y los músculos reales, en lugar de simplemente responder al agua o al calor. "Los hidrogeles podrían responder potencialmente a diferentes concentraciones de iones porque pueden absorberlas", dice ella. "Tal vez en el futuro, incluso se podría incorporar hidrogel conductor", que podría deformarse en respuesta a pequeños pulsos de electricidad.

Feigenbaum también prevé que los músculos robóticos suaves se utilicen para un movimiento más creativo y natural en la robótica. Imagínese el brazo robótico clásico, con un hombro vinculado a la parte superior del brazo, vinculado a través de un codo a la parte inferior del brazo, y así sucesivamente: "son solo estos enlaces y articulaciones rígidos", dice. Pero a medida que los especialistas en robótica intentan reinventar las herramientas de movilidad, como los exoesqueletos y los dispositivos asistidos por la marcha, el hardware voluminoso literalmente se interpone en el camino. En cambio, los materiales más suaves brindan un mayor rango de movimiento y flexibilidad, moviéndose en más direcciones y en más puntos de lo que permitirían las juntas rígidas. Imagine el movimiento de una serpiente comparado con el de la bisagra de una puerta. "Mucha de esta tecnología robótica suave nos llevará hacia una robótica que se parece mucho menos a los vínculos", dice ella.

Aziz espera mejorar la carga útil y la capacidad de respuesta de los músculos, y tiene planes para crear versiones similares con polímeros llamados termoplásticos. Estos le otorgarían más control sobre la temperatura a la que responden los actuadores. El equipo aún no está incorporando actuadores similares a plantas en ningún robot, pero una vez que lo intentan, no se sabe qué tipo de nuevas puertas (o ventanas) pueden abrir.