Músculos artificiales creados mediante impresión 3D

Los músculos artificiales no solo pueden resultar útiles a los robots; algún día, podrían servir para darles fuerza física extra a las personas en ciertas actividades, o para sustituir tejido muscular deteriorado o ausente.

Sin embargo, desarrollar músculos artificiales que puedan compararse con los reales es un gran reto técnico. Para estar a la altura de sus homólogos biológicos, los músculos artificiales no solo deben ser potentes, sino también elásticos y blandos.

En esencia, los músculos artificiales son actuadores: componentes que convierten impulsos eléctricos en movimiento. Los actuadores, por desgracia, suelen ser componentes mecánicos duros que no tienen mucho en común con los músculos naturales.

Un equipo de investigadores del Laboratorio de Polímeros Funcionales, perteneciente a los Laboratorios Federales Suizos para Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA), está trabajando en actuadores fabricados con materiales blandos. Ahora, por primera vez, han desarrollado un método para producir componentes así de complejos utilizando una impresora 3D.

Estos componentes, actuadores elásticos dieléctricos, constan de dos materiales diferentes: un material conductor para electrodo y un material dieléctrico no conductor. Estos materiales se entrelazan en capas. “Es parecido a entrelazar los dedos de las manos, explica Patrick Danner, del equipo de investigación y desarrollo. Si se aplica una tensión eléctrica a los electrodos, el actuador se contrae como un músculo. Cuando se desconecta la tensión, se relaja y vuelve a su posición original.

Imprimir en 3D una estructura así no es fácil. A pesar de sus propiedades eléctricas tan diferentes, los dos materiales blandos deben comportarse de forma muy similar durante el proceso de impresión. No deben mezclarse, pero deben mantenerse unidos en el actuador acabado. Los “músculos” impresos deben ser lo más blandos posible para que un estímulo eléctrico pueda provocar la deformación requerida. A esto hay que añadir los requisitos que deben cumplir todos los materiales imprimibles en 3D: Deben licuarse bajo presión para que puedan extruirse por la boquilla de la impresora. Sin embargo, inmediatamente después deben ser lo suficientemente viscosos para conservar la forma impresa. Estas propiedades suelen estar en contradicción directa, tal como señala Danner. Si se optimiza una de ellas, las otras cambian, normalmente a peor.

En colaboración con investigadores del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich (ETH), Danner y Dorina Opris, del Laboratorio de Polímeros Funcionales, han logrado conciliar muchas de estas propiedades contradictorias. Dos tintas especiales, desarrolladas en los EMPA, se utilizan para dar forma a los actuadores blandos deseados utilizando una boquilla desarrollada por Tazio Pleij y Jan Vermant del ETH.

La estructura de una fibra muscular artificial fabricada mediante impresión 3D. (Imagen: EMPA)

Los actuadores blandos tienen muchas aplicaciones potenciales. Son ligeros, silenciosos y, gracias al nuevo proceso de impresión 3D, se les puede dar la forma deseada. Podrían sustituir a los actuadores convencionales en automóviles, maquinaria y robótica. Si se desarrollan aún más, también podrían utilizarse en aplicaciones médicas. Opris cree incluso que en el futuro podría ser posible imprimir un corazón entero a partir de este nuevo enfoque tecnológico.

Danner, Opris y sus colegas exponen los detalles técnicos de su nuevo avance tecnológico en la revista académica Advanced Materials Technologies, bajo el título “Rapid Manufacturing of High-Permittivity Dielectric Elastomer Actuator Fibers”. (Fuente: NCYT de Amazings)