Los músculos artificiales son buenos porque no contienen partes móviles internas. Esta es otra alternativa bastante radical a los motores eléctricos y neumáticos con hidráulica. Los diseños que existen hoy en día son polímeros sensibles a la tensión oa la temperatura o aleaciones con memoria de forma. Los primeros requieren un voltaje bastante alto, mientras que los segundos tienen un rango de movimiento limitado y también son muy costosos. Para crear robots blandos también se utiliza aire comprimido, pero esto implica la presencia de bombas y complica el diseño. Para hacer músculos artificiales, recurrimos a la receta de científicos de la Universidad de Columbia, quienes lograron combinar alta potencia, ligereza, elasticidad y una simplicidad asombrosa en un solo diseño. Los músculos son silicona blanda ordinaria, en la que se introducen burbujas de alcohol por adelantado. Cuando se calientan con una espiral de nicromo, el alcohol dentro de ellos comienza a hervir y la silicona se hincha mucho. Sin embargo, si coloca todo esto en una trenza rígida con un tejido de hilos perpendiculares, la hinchazón se convertirá en una contracción regular, al igual que los motores neumáticos McKibben.
Debido a que la silicona es un mal conductor del calor, es importante no aplicar demasiada energía a la bobina o el polímero comenzará a humear. Esto, por supuesto, se ve espectacular y casi no interfiere con el trabajo, pero al final puede provocar un incendio. La baja potencia tampoco es buena, ya que el tiempo de reducción puede retrasarse. En cualquier caso, un sensor térmico restrictivo y un controlador PWM no estarán de más en el diseño.
Métodos
Los músculos de silicona tienen un diseño sorprendentemente simple, y solo hay dos problemas reales cuando se trabaja con ellos: elegir la potencia y crear moldes lo suficientemente convenientes para verter.
Los moldes de vertido están convenientemente hechos de láminas de plástico transparente. Solo tenga en cuenta que el mecanismo para unir la hélice dentro del polímero debe pensarse de antemano: será demasiado tarde después del vertido.
y materiales
La silicona suave para desarrollar músculos se puede comprar en las tiendas de artículos de arte. La trenza del tejido correcto generalmente se usa para organizar y tender cables, y debe solicitarse a los electricistas. Las mayores dificultades surgen con el etanol al 96%, que es más difícil de comprar en Rusia que un tanque. Sin embargo, es bastante posible reemplazarlo con isopropanol.
Popular Mechanics quisiera agradecer a Skeleton Shop por su ayuda en la filmación.Ciencia y vida // Ilustraciones
Ciencia y vida // Ilustraciones
No han pasado ni diez años desde el descubrimiento de estructuras exóticas: los nanotubos de carbono, pero continúan asombrando a los investigadores. Los nanotubos de carbono son las láminas más delgadas de grafito conocido, enrolladas en un tubo con un diámetro de 0,7 a 1,5-2,0 nm y una longitud de varias micras (ver "Science and Life" No. 11, 1993).
La alta resistencia del enlace carbono-carbono, el tamaño pequeño, la estructura de red de las cubiertas de nanotubos (constan de hexágonos unidos) y la ausencia de defectos aseguran sus propiedades mecánicas inusuales: son 10-12 veces más fuertes y 6 veces más livianos que el acero. Un filamento con un diámetro de 1 mm de tales nanotubos podría soportar una carga de 20 toneladas, cientos de miles de millones de veces mayor que su propio peso. Y el diámetro de un solo nanotubo es tan pequeño (50.000 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano) que un nanocable de la Tierra a la Luna podría enrollarse en un carrete del tamaño de una semilla de amapola.
Todo esto provoca un considerable entusiasmo entre los científicos de materiales, que recientemente recordaron, por ejemplo, incluso la fantástica idea del escritor estadounidense Arthur C. Clarke de conectar una nave espacial en órbita geoestacionaria con un ascensor a la Tierra.
Las propiedades electrónicas inusuales de los nanotubos de carbono están a punto de encontrar aplicación en las primeras pantallas de emisores de campo y en los microscopios de efecto túnel, y han provocado una gran serie de esfuerzos para intentar crear un transistor molecular que sería varios órdenes de magnitud más pequeño que el dispositivos electrónicos más pequeños que existen actualmente.
Otra área de su uso fue delineada por un mensaje que se convirtió en una sensación científica.
En febrero - marzo de 1999 se celebró en la localidad de Kirchberg, en Tirol (Austria), la 13ª Escuela Internacional de Invierno sobre propiedades electrónicas de nuevos materiales. Entre la gran cantidad de informes sobre nanotubos, el informe de un grupo de investigación internacional dirigido por Ray Baughman, empleado de la empresa Allied Signal, atrajo la atención general. El informe se dedicó a la creación de músculos artificiales y luego se presentó en un artículo publicado en la revista "Science" (Science, 1999. v. 284, N. 5418, p. 1340-1344, 21 de mayo).
Han estado tratando de crear músculos artificiales durante mucho tiempo y se buscaron varias formas de resolver este problema. Puede, por ejemplo, utilizar el efecto piezoeléctrico: un cambio en el tamaño de un cristal o cerámica cuando se aplica un voltaje eléctrico. Se puede "jugar" con la capacidad de las sustancias en capas para expandirse en una dirección perpendicular al plano de las capas cuando se introducen productos químicos entre las capas. Pero estas formas son complicadas o ineficaces.
El grupo de Bauchmann usó un principio diferente. Los nanotubos de carbono se pueden obtener en forma de láminas de nanopapel, en las que los tubos se enredan, entrelazados entre sí. Tal nanopapel se puede recoger, cortar en tiras. Los primeros experimentos fueron sorprendentemente simples.
Los investigadores pegaron dos tiras de nanopapel a los lados opuestos de la cinta adhesiva, colocaron electrodos en los extremos y los sumergieron en una solución salina para proporcionar conductividad eléctrica. Cuando se encendía una batería eléctrica con un voltaje de varios voltios, ambas tiras de nanopapel se alargaban un poco, pero la que estaba conectada al polo negativo de la batería se alargaba más y se doblaban. El músculo artificial (actuador) funcionó.
Por supuesto, tal dispositivo es demasiado primitivo para usarse hoy en día en lugar de bíceps y tríceps. Pero ya está claro que este diseño es mucho más prometedor que cualquier otro. En vez de solución salina se supone que utiliza un polímero conductor, creando un material compuesto ligero y duradero.
Ya se ha demostrado que los músculos artificiales serán al menos tres veces "más fuertes" que los convencionales, es decir, podrán soportar cargas mucho mayores con el mismo tamaño. A diferencia de los metales, los nanotubos de carbono no colapsan por fatiga y pueden operar a temperaturas bastante altas. Y el voltaje y la corriente utilizados para su trabajo son pequeños.
Con el tiempo, los músculos artificiales se pueden usar para prótesis de órganos y músculos individuales (por ejemplo, el corazón). En base a ellos, será fácil construir "manos" y "dedos" de robots que trabajen en el frío espacial o en un calor de 1000 grados, en el vacío y en un ambiente de gases agresivos.
Los músculos de carbono también se pueden utilizar para generar energía, porque, según Bauchman, el efecto es reversible: la flexión y extensión de las tiras crean un potencial eléctrico. Los elementos conectados en cadena pueden utilizar la energía de las ondas, reflujos y flujos en centrales eléctricas de un nuevo tipo. Eventualmente, cada automóvil puede equiparse con un dispositivo liviano que, al frenar, recargará las baterías.
Los científicos han estado desarrollando músculos artificiales durante mucho tiempo, dependiendo del área en la que trabajen. Entonces, en el campo de la robótica, los motores electrostáticos blandos se han utilizado durante mucho tiempo, pero los científicos biomédicos de la Universidad de Duke pudieron desarrollar tejidos musculares con flexibilidad, elasticidad y fuerza muscular de origen natural.
Sin embargo, los científicos biomédicos han creado cosas similares antes, pero el nuevo desarrollo de los científicos resultó ser el más interesante. Es que ingenieros biomédicos lograron crear músculos que, tras ser implantados en organismos, pueden regenerarse en caso de daño.
Los investigadores comenzaron a trabajar en esta área hace muchos años, pero aún ahora continúan enfrentándose a varios problemas. Uno de los problemas es el hecho de que es bastante fácil hacer crecer tejido muscular, pero es mucho más difícil dotarlo de todas las características del tejido muscular real o superarlo.
“Creado por nosotros en el campo de la fabricación de varios tejidos artificiales. Este es el primer músculo artificial que tiene la fuerza y otras características de un músculo natural, que es capaz de autorregenerarse y que puede trasplantarse a prácticamente cualquier tipo de ser vivo”.— Nenand Bersak, investigador de la Universidad de Duke
Usando una nueva técnica desarrollada por científicos universitarios, los ingenieros lograron ordenar las fibras del tejido crecido en una dirección, que es lo que le da a los nuevos músculos su fuerza y elasticidad. Además, en el proceso de crecimiento de fibras de tejido, los científicos biomédicos dejaron espacios vacíos entre ellas y colocaron células madre musculares entre ellas. Por lo tanto, cuando se dañan, las células madre se convierten en células tisulares y el tejido se restaura. También es interesante que el proceso de regeneración también se active en caso de daño tisular por toxinas.
Para probar el rendimiento de los músculos artificiales, los científicos los colocaron en una cubierta de vidrio implantada en la espalda de un animal de experimentación. Vale la pena señalar que antes de comenzar la prueba, los científicos modificaron los músculos a nivel genético para poder producir destellos de luz fluorescente cuando se contraen. Después de dos semanas, los investigadores registraron la luz emitida y encontraron que los destellos de luz aumentaron en intensidad y se volvieron más fuertes, en paralelo con el músculo ganando fuerza.
En este momento, los investigadores están estudiando el problema del uso de tejidos musculares artificiales para los músculos dañados como resultado de lesiones o enfermedades en humanos o animales. Los expertos esperan que en un futuro cercano dicha tecnología pueda usarse no solo para restaurar el tejido muscular humano dañado, sino también para restaurar la fuerza y la movilidad de los músculos degradados de las personas que lo necesitarán.
Científicos de la Universidad Nacional de Singapur han creado un nuevo tipo de músculo artificial, cuyo rendimiento impresionó a sus colegas. El caso es que este nuevo tipo de músculo puede estirarse cinco veces, dada su longitud inicial, y el peso que puede levantar supera en 80 veces al suyo.
El objetivo de este desarrollo es dotar a los robots de unas características de resistencia sorprendentes y al mismo tiempo garantizar la presencia de plásticos como en los humanos.
Según el Dr. Adrian Koch, quien actualmente es el jefe del programa, el material resultante tiene una estructura similar a los tejidos musculares de los organismos vivos.
El principal interés es que, a pesar de su fuerza, plasticidad y flexibilidad, estos músculos artificiales responden a impulsos de control eléctrico en fracciones de segundo, y este es sin duda un resultado colosal.
Entonces, por ejemplo, en este momento ninguna mecánica o hidráulica puede proporcionar tal efecto. Como dice el jefe del grupo, si los robots están equipados con estos músculos artificiales de alta velocidad, será posible deshacerse de los movimientos mecánicos de los robots y acercarse a los indicadores "plásticos" de una persona o varios animales. Con todo esto, la resistencia, la fuerza y la precisión de los movimientos deben superar a los humanos muchas veces.
Este material es un compuesto complejo que, a su vez, consta de varios polímeros. usando en esta composicion materiales, polímeros elásticos con la capacidad de estirarse 10 veces y polímeros que pueden soportar 500 veces su propio peso han hecho posible lograr resultados tan sorprendentes. Según los científicos, el trabajo en el desarrollo durará más de un año, pero durante varios años está previsto crear varios tipos de extremidades para robots que equiparán este tipo de músculo artificial. Es interesante que la extremidad tendrá la mitad de peso y tamaño que la contraparte humana, pero la persona no tendrá muchas posibilidades de ganar.
A pesar de que este desarrollo es el más interesante para un grupo de científicos en esta área en particular, en paralelo planean utilizar el material obtenido para otros fines. Por ejemplo, el nuevo material es capaz de convertir energía mecánica en energía eléctrica y viceversa. Y por lo tanto, los científicos están desarrollando simultáneamente el diseño de un generador eléctrico basado en materiales poliméricos blandos. Aquí llama la atención que, según los planos, su peso será de unos 10 kilogramos, y podrá generar electricidad tanto como un generador tradicional utilizado en aerogeneradores y de 1 tonelada.
