Músculos artificiales a base de actuadores electroestáticos

Los actuadores electrostáticos son dispositivos sencillos y ligeros que emulan a los músculos humanos. Sin embargo, su uso se ha limitado principalmente a mover pesos pequeños, ya que necesitan altos voltajes para generar fuerzas significativas. Ahora, sin embargo, puede que ya resulte viable utilizar actuadores electrostáticos en músculos artificiales de mayor envergadura gracias a un nuevo trabajo de investigación y desarrollo.

El equipo del profesor Suzushi Nishimura, del Instituto Tecnológico de Tokio en Japón, ha utilizado materiales ferroeléctricos para crear un actuador electrostático capaz de generar una fuerza intensa con un voltaje de accionamiento bajo.

Los actuadores electrostáticos utilizan campos eléctricos para sus movimientos. Estos dispositivos constan de dos electrodos con cargas opuestas que generan una fuerza cada vez que se desarrolla un campo eléctrico entre ellos. Modificando la forma de los electrodos y rellenando el espacio entre ellos con materiales flexibles y blandos, los investigadores han desarrollado diversas configuraciones de actuadores electrostáticos en los que la fuerza generada puede emular a la de los músculos biológicos.

La fuerza generada por los actuadores electrostáticos depende del voltaje aplicado a sus electrodos y de las cargas acumuladas en la interfase entre los electrodos y el material dieléctrico. Por lo tanto, para generar fuerzas lo bastante grandes como para resultar de utilidad en actividades humanas, estos dispositivos hasta ahora tenían que ser alimentados con un gran voltaje, el cual podía resultar peligroso.

Con el objetivo de aumentar la fuerza generada por los actuadores manteniendo el voltaje bajo, el equipo del profesor Suzushi Nishimura, del Instituto Tecnológico de Tokio, ha aumentado la carga acumulada utilizando para ello materiales ferroeléctricos que se polarizan espontáneamente.

Los investigadores utilizaron cristales líquidos ferroeléctricos especiales que, en las pruebas, lograron generar fuerzas a través de los electrodos que eran 1.200 veces superiores a las de los materiales paraeléctricos convencionales.

Con los cristales líquidos ferroeléctricos y los electrodos con la forma adecuada, los investigadores desarrollaron un actuador electrostático capaz de producir a bajos voltajes contracción y expansión (como harían unos músculos biológicos). Aplicando 20 voltios, ya puede verse a simple vista el movimiento del dispositivo. Y con 200 voltios, el movimiento es notable.

La contracción del músculo artificial al aplicar 200 voltios es notable. (Fotos: Advanced Physics Research. CC BY-NC-ND)

En el trabajo de investigación y desarrollo también ha colaborado la Corporación ENEOS de Japón.

Nishimura y sus colegas exponen los detalles técnicos de los nuevos músculos artificiales en la revista académica Advanced Physics Research, bajo el título “Lowering of Electrostatic Actuator Driving Voltage and Increasing Generated Force Using Spontaneous Polarization of Ferroelectric Nematic Liquid Crystals”. (Fuente: NCYT de Amazings)