Microfibras de actuación rápida imitan con éxito los músculos humanos
En robótica, prótesis y otras aplicaciones de ingeniería se suelen utilizar actuadores que imitan la contracción de los músculos de los animales. Sin embargo, la velocidad y la eficiencia de las fibras musculares naturales son el criterio exigido. Pese a los nuevos avances en tecnologías de accionamiento, en el pasado los músculos artificiales eran demasiado grandes, demasiado lentos o demasiado débiles.
Un grupo de ingenieros de la Universidad de California en San Diego (UCSD) ha descrito una nueva microfibra artificial de elastómero de cristal líquido (LCE) que reproduce la resistencia a la rotura, la respuesta rápida y la alta densidad de potencia de los músculos humanos.
«Las fibras capaces de provocar una compresión axial son habituales en la naturaleza y en aplicaciones de ingeniería. Pese a la amplia utilización de los actuadores de fibra, sigue siendo muy difícil fabricar actuadores de fibra óptica con una deformación de activación combinada, una alta velocidad de respuesta y una alta potencia específica», afirma el artículo de los investigadores.
«El polímero (LCE) es un material blando y muy extensible. Si aplicamos estímulos externos, como luz o calor, este material se contrae en una dirección»
Aunque los actuadores blandos basados en LCE son habituales y pueden generar una carga de activación excelente, de entre el 50 y el 80 %, su tiempo de respuesta suele ser muy lento. La forma más sencilla de hacer que las fibras sean a la vez sensibles y rápidas es reducir su diámetro. Para ello, los investigadores de la UCSD emplearon un método llamado electrohilado, que consiste en expulsar una disolución de polímero a través de una jeringa o una hilera bajo alta tensión para obtener fibras ultrafinas.
El electrohilado se utiliza para fabricar materiales a microescala y producir microfibras de entre 10 y 100 micrómetros de diámetro. Es conocido por su capacidad de crear fibras con distintas estructuras morfológicas y se emplea habitualmente en diversos contextos de investigación y comerciales.
Las microfibras fabricadas por los investigadores de la UCSD tienen entre 40 y 50 micrómetros, aproximadamente el grosor de un cabello humano. Son mucho más finas que las fibras LCE existentes, algunas de las cuales pueden superar los 0,3 mm de grosor. Los investigadores no son los primeros en usar esta técnica para fabricar fibras LCE, pero sí son los primeros en llevar esta fibra más allá. Los científicos demuestran cómo controlar la activación de las fibras y medir las características de dicha activación.
Como prueba de concepto, el equipo diseñó tres dispositivos microrrobóticos distintos utilizando sus fibras LCE electrohiladas: unas micropinzas, un microrobot y una bomba microfluídica alimentada por una fuente de luz. Sus actuadores pueden controlarse de forma termoeléctrica o mediante un láser de infrarrojo cercano.
Cuando el material LCE está a temperatura ambiente, se encuentra en fase nemática: en este estado, los cristales líquidos están dispuestos al azar, con todos sus ejes largos orientados esencialmente en una misma dirección. Al aumentar la temperatura, el material pasa a la llamada fase isótropa, en la que sus propiedades son las mismas en todas las direcciones, lo que provoca la contracción de la fibra.
Los resultados mostraron que la deformación en la activación alcanza hasta el 60 %, lo que significa que una fibra de 10 cm se contrae hasta 4 cm, con un tiempo de respuesta inferior a 0,2 s y una potencia específica de 400 W por kg. Esto es comparable a las fibras musculares humanas.
Los investigadores señalan que este actuador blando de control eléctrico permite integrarlo fácilmente con dispositivos electrónicos económicos, lo que supone una ventaja para los sistemas y dispositivos microrrobóticos. El electrohilado es además un método de fabricación muy eficiente. Según los científicos, se pueden obtener 10 000 fibras en 15 minutos. No obstante, quedan por resolver varios problemas.
«La única limitación de este trabajo es que, cuando aplicamos calor o luz a la microfibra LCE, la eficiencia energética es muy baja, inferior al 1 %. Por ello, en trabajos futuros podremos plantearnos cómo activar la actuación de forma más eficiente desde el punto de vista energético»
Otra limitación es que la transición de fase nemático-isotrópica en el material LCE obtenido mediante electrohilado se produce a una temperatura muy alta, por encima de 90 grados Celsius. Por tanto, no es posible introducir directamente la fibra en el cuerpo humano, cuya temperatura es de 35 grados Celsius. Una forma de resolver este problema podría ser utilizar un tipo diferente de cristal líquido.
En su trabajo, los científicos utilizaron RM 257 como cristal líquido, pero podrían cambiarlo por otro tipo para reducir la temperatura de la transición de fase. Los investigadores ven con optimismo las posibilidades de ampliar los estudios sobre actuadores de microfibra LCE obtenidos por electrohilado.
«También demostramos que podemos colocar varias fibras LCE en paralelo y activarlas simultáneamente para aumentar la fuerza de salida. Este es un trabajo futuro en el que intentaremos averiguar si es posible combinar sus haces de fibras musculares en un tejido biomédico»
