Material duradero para músculos artificiales

Para que un material blando pueda utilizarse como músculo artificial, debe ser capaz de producir energía mecánica y seguir siendo operativo en condiciones de gran tensión estructural. En otras palabras, no debe perder fácilmente su forma y su resistencia tras repetidos ciclos de trabajo. Aunque se han considerado muchos materiales para fabricar músculos artificiales, los elastómeros dieléctricos, materiales ligeros con alta densidad de energía elástica, han despertado especial interés por su flexibilidad y robustez óptimas.

Los elastómeros dieléctricos son polímeros electroactivos, es decir, sustancias naturales o sintéticas compuestas por grandes moléculas que pueden cambiar de tamaño o forma cuando son estimuladas por un campo eléctrico. Pueden utilizarse como actuadores, posibilitando que las máquinas que los incorporen transformen la energía eléctrica en trabajo mecánico.

La mayoría de los elastómeros dieléctricos están hechos de acrílico o de silicona, pero ambos materiales tienen inconvenientes. Aunque los elastómeros dieléctricos acrílicos tradicionales pueden lograr una gran tensión de actuación, requieren un estiramiento previo y carecen de flexibilidad. Los de silicona son más fáciles de fabricar, pero no soportan una gran tensión.

Utilizando productos químicos disponibles en el mercado y empleando un proceso de curado con luz ultravioleta, el equipo de Qibing Pei, de la Escuela Samueli de Ingeniería perteneciente a la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) en Estados Unidos, ha creado un material mejorado de base acrílica que es más flexible, más ajustable y más sencillo de fabricar a gran escala y que además no pierde fuerza ni resistencia. Mientras que el ácido acrílico permite que se formen más enlaces de hidrógeno, lo que hace que el material tenga mayor movilidad, los investigadores también ajustaron la reticulación entre las cadenas de polímeros, lo que permite que los elastómeros sean más blandos y flexibles. La película de elastómero dieléctrico resultante (PHDE), muy fina y fácilmente procesable, se intercala entre dos electrodos para convertir la energía eléctrica en movimiento como actuador.

Cada película de PHDE tiene un grosor de unos 35 micrómetros. Cuando se apilan varias capas de PHDE, el conjunto se convierte en un motor eléctrico en miniatura que puede actuar como el tejido muscular y producir suficiente energía para impulsar el movimiento de pequeños robots. Los investigadores han fabricado pilas de películas de PHDE de entre 4 y 50 capas.

Película de músculo artificial hecha de 10 capas de elastómero dieléctrico de alto rendimiento apiladas con 20 actuadores. (Foto: Soft Materials Research Lab / UCLA)

Los músculos artificiales resultantes son más fuertes y más flexibles que sus homólogos biológicos, y carecen de las limitaciones citadas que sí tienen los músculos artificiales fabricados con otros materiales.

Pei y sus colegas exponen los detalles técnicos de su logro en la revista académica Science, bajo el título “A processable, high-performance dielectric elastomer and multilayering process”. (Fuente: NCYT de Amazings)