Francis en #rosavientos: Músculos artificiales con hilo de pescar

Por Francisco R. Villatoro, el 23 febrero, 2014. Categoría(s): Ciencia • Eureka (La Rosa de los Vientos) • Física • Mecánica • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science ✎ 1

Dibujo20140221 Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread - science

Ya puedes escuchar el podcast de mi sección ¡Eureka! en La Rosa de los Vientos, de Onda Cero. Como siempre, una transcripción del audio, algunos enlaces y algunas imágenes.

Los músculos humanos son un prodigio de la Naturaleza, capaces de contraerse y expandirse en poco tiempo, tienen una gran resistencia. ¿Pueden tener los robots músculos artificiales en lugar de articulaciones rígidas? Los expertos en robótica llevan mucho tiempo tratando de diseñar músculos artificiales para los robots y para prótesis ortopédicas. Los más usados en la actualidad son los músculos neumáticos. Un músculo neumático es un actuador de tracción que usa un cilindro con aire comprimido y un servomecanismo con un regulador de presión. Son ligeros, pueden desarrollar grandes fuerzas y su coste es bajo. Sin embargo, presentan grandes errores de alineación al trabajar a gran velocidad, por lo que su uso se limita a aplicaciones donde se puede trabajar a baja velocidad.

Los músculos humanos están hechos de fibras elásticas que se contraen y se expanden. ¿Por qué no se fabrican músculos biomiméticos que imiten a los nuestros? Se han propuesto varios diseños de músculos artificiales basados en unos materiales llamados elastómeros, que, igual que las fibras de nuestros músculos, son capaces de estirarse cuando son sometidos a una fuerza o a una corriente eléctrica, y luego pueden regresar a su tamaño original. Gracias a la nanotecnología se han fabricado estructuras formadas por miles de fibras nanométricas trenzadas entre sí que son capaces de expandirse y contraerse cuando se aplica un cambio en el voltaje. Destaca el trabajo del estadounidense Ray H. Baughman, de la Universidad de Texas, que lleva años trabajando en el uso de nanotubos de carbono para fabricar músculos artificiales. Su grupo ha publicado en la revista Science varios artículos desde el año 2009. En teoría los músculos de nanotubos de carbono son muy ligeros, más resistentes que el acero, pueden funcionar con una amplia franja de temperaturas (desde 200 grados Celsius bajo cero hasta 1500 Celsius) y son hasta un 220% más rápidos que los músculos humanos. Sin embargo, los nanotubos de carbono son una tecnología muy costosa y aún falta mucho tiempo para que lleguen al mercado este tipo de músculos artificiales.

Recomiendo los artículos técnicos de Ali E. Aliev et al., “Giant-Stroke, Superelastic Carbon Nanotube Aerogel Muscles,” Science 323: 1575-1578, 20 Mar 2009 [GScholar]; Javad Foroughi et al., “Torsional Carbon Nanotube Artificial Muscles,” Science 334: 494-497, 28 Oct 2011 [GScholar]; y Márcio D. Lima et al., “Electrically, Chemically, and Photonically Powered Torsional and Tensile Actuation of Hybrid Carbon Nanotube Yarn Muscles,” Science 338: 928-932, 16 Nov 2012 [GScholar]. En español puedes leer a Francis, “Músculos de torsión artificiales basados en fibras hiladas con nanotubos de carbono,” LCMF 13 Oct 2011.

Dibujo20140221 tensile - compressive - Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread - science

Fabricar nanotubos de carbono es muy caro, ¿existen alternativas utilizando materiales más baratos? Esta semana el grupo de Ray H. Baughman, en el Instituto de Nanotécnica de la Universidad de Texas, ha publicado en la revista Science una alternativa barata a los músculos artificiales. En lugar de usar nanotubos de carbono han propuesto usar polímeros similares a los que usan para fabricar hilo de pescar o nylon para la ropa. El método consiste en aplicar una técnica de torsión para girar hilos de polímeros a más de 10.000 revoluciones por minuto hasta que se enroscan. El resultado son fibras de músculos artificiales que pueden resistir cargas cien veces mayores que los músculos humanos de mismo peso y longitud. Estas fibras enroscadas pueden contraerse hasta un 49% y generan hasta 7 caballos de fuerza por kilogramo, más o menos la potencia mecánica que desarrolla el motor de un avión a reacción. Una ventaja adicional es que estos músculos artificiales se pueden accionar térmicamente mediante cambios de temperatura, que pueden ser producidos eléctricamente, por la absorción de la luz o por la reacción química de combustibles. Lo más curioso es que la nueva técnica está inspirada en una que el el grupo de Ray H. Baughman desarrolló en el año 2011 para la fabricación de fibras con nanotubos de carbono, pero al usar polímeros es mucho más barata, su coste ronda los 5 euros por kilo.

El nuevo artículo técnico es Carter S. Haines et al., “Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread,” Science 343: 868-872, 21 Feb 2014 [GScholar]. Más información en español en Antonio Martínez Ron, “Una técnica permite fabricar músculos artificiales con hilo de pescar,” Next, Vozpópuli, 20 Feb 2014; N. Ramírez de Castro, “Fabrican músculos artificiales con hilo de pescar cien veces más resistentes que los humanos,” ABC Ciencia, 21 Feb 2014.

Dibujo20140221 cool - hot - Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread - science

Además de para fabricar músculos artificiales para robots, ¿qué otras aplicaciones tiene el nuevo diseño? Una aplicación biomédica bastante interesante es el desarrollo de prótesis artificiales y exoesqueletos para personas con movilidad reducida. Pero la respuesta a cambios en la temperatura de estas fibras de polímeros permite otras aplicaciones. Gracias a que son muy baratas, se ha propuesto su uso para fabricar ropa inteligente. Prendas de ropa que reaccionan a la temperatura y abren sus poros para que la persona que las lleva se mantenga fresca, o cierra los poros si hace frío. El abanico de aplicaciones de las nuevas fibras es enorme ya que se pueden fabricar tanto a tamaño milimétrico, como en la nanoescala. El diseño es el mismo, pero al cambiar la escala las aplicaciones se multiplican.



1 Comentario

  1. Robot en base a fibras retráctiles, un sueño, y si le agregamos una fuente de energía de muy bajo peso y un sistema de reparación y mantención autónomo, además con la capacidad de replicarse, es toda una fantasía que la vida a trabes de la evolución la hizo realidad.

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