Un músculo artificial accionado electroquímicamente hecho de nanotubos de carbono retorcidos se contrae más cuando se mueve más rápido gracias a un novedoso recubrimiento de polímero conductor. El dispositivo, que fue desarrollado por ray baughman de las Universidad de Texas en Dallas en los EE. UU. y un equipo internacional de colaboradores, supera algunas limitaciones de los músculos artificiales anteriores y podría tener aplicaciones en robótica, textiles "inteligentes" y bombas cardíacas.
Los nanotubos de carbono (CNT) son láminas de carbono enrolladas con paredes tan delgadas como un solo átomo. Cuando se retuercen para formar un hilo y se colocan en un baño de electrolitos, estos cilindros de carbono huecos pueden expandirse y contraerse en respuesta a entradas electroquímicas, al igual que lo hace un músculo humano o animal. En una configuración típica, una diferencia de voltaje, o potencial, entre el hilo y un contraelectrodo impulsa los iones del electrolito hacia el hilo, lo que hace que se active el "músculo".
Si bien estos músculos CNT impulsados electroquímicamente son altamente eficientes energéticamente y extremadamente fuertes (pueden levantar cargas de hasta 100,000 veces su propio peso), tienen limitaciones. La principal es que son bipolares, lo que significa que la dirección de su movimiento cambia cada vez que el potencial cae a cero. Este efecto reduce la carrera total del actuador. Otro inconveniente es que la capacitancia del músculo, es decir, su capacidad para almacenar la carga que necesita para expandirse o contraerse, disminuye cuando el potencial se escanea más rápidamente, lo que también hace que la carrera disminuya.
Polímero "invitado"
En este estudio, como en su trabajo previo, Baughman y sus colegas crearon su músculo artificial a partir de un "bosque" de CNT, todos alineados verticalmente en la misma dirección. Luego, extrajeron una lámina delgada de nanotubos del bosque y la retorcieron para hacer un hilo que contenía hélices de CNT entrelazados. En el paso final, que fue exclusivo de esta serie de experimentos, recubrieron las superficies interiores de los CNT con un polímero conductor iónico que contiene grupos químicos con carga positiva o negativa.
El primer material polimérico "invitado" que estudió el grupo fue el poli(4-estirenosulfonato de sodio), PSS. La estructura resultante se conoce como hilo PSS@CNT y contiene alrededor del 30 por ciento de PSS en peso. Para determinar el potencial de carga cero de este hilo, es decir, el potencial en el que el trazo cambia de dirección, los investigadores utilizaron una técnica llamada espectroscopia piezoelectroquímica, que desarrollaron ellos mismos. Luego probaron sus hilos en baños de electrolitos acuosos u orgánicos.
Bipolar a unipolar
Baughman y colegas, quienes informan sobre su trabajo en Ciencia:, descubrió que el recubrimiento de polímero convierte la actuación normalmente bipolar de los hilos CNT en una actuación unipolar. En otras palabras, el músculo revestido actúa en una sola dirección en todo el rango potencial en el que el electrolito permanece estable.
La explicación del equipo para este comportamiento inusual es que el campo dipolar del polímero cambia el potencial de carga cero del hilo a un valor que se encuentra fuera del rango de estabilidad del electrolito. Esto significa que los iones de una sola polaridad (positiva o negativa) se introducen en el hilo, explica un miembro del equipo ZhongWang. Por lo tanto, el movimiento del músculo cambia en una sola dirección antes de que se invierta la dirección del cambio de voltaje. Miembro del equipo Mu Jiuke agrega que la cantidad de moléculas de electrolitos que se bombean electroosmóticamente al músculo también aumenta cuanto más rápido se cambia o escanea el potencial en todo su rango.
En cuanto al rendimiento de los nuevos músculos unipolares, los investigadores encontraron que la potencia mecánica de salida promedio máxima que generan es de 2.9 W por gramo de músculo. Esto es aproximadamente 10 veces la capacidad típica del músculo humano, dice Mu, y aproximadamente 2.2 veces la capacidad de potencia normalizada por peso de un motor diésel V-8 turbocargado.
Músculo de hilo de estado sólido de electrodo doble
En la etapa final de su investigación, los científicos demostraron que podían combinar dos tipos diferentes de músculos de hilo unipolares para hacer un músculo de hilo de estado sólido de electrodo dual, prescindiendo así de la necesidad de un baño de electrolito líquido. Aquí, Wang explica que un electrolito de estado sólido interconecta lateralmente dos hilos CNT enrollados que contienen diferentes invitados de polímero, uno con sustituyentes con carga negativa y el otro con carga positiva. La inyección de iones positivos y negativos significa que ambos hilos contribuyen a la activación durante la carga, dice Wang. Sugiere que tales músculos unipolares de electrodos duales podrían, en el futuro, entretejerse para hacer textiles que actúen y se “transformen” en respuesta a estímulos eléctricos.
Los miembros del equipo, que incluye científicos de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, la Universidad de Changzhou, la Universidad de Jiangsu, el Instituto de Tecnología de Harbin, la Universidad de Hanyang, la Universidad Nacional de Seúl, la Universidad de Deakin, la Universidad de Wollongong, Opus 12 y MilliporeSigma, Ahora planean explotar estos músculos en robots y miembros artificiales, así como en textiles.
El puesto Los músculos artificiales de nanotubos aceleran el ritmo apareció por primera vez en Mundo de la física.
