À medida que uma planta de pepino cresce, ela brota gavinhas firmemente enroladas que procuram suportes para puxar a planta para cima. Isso garante que a planta receba o máximo possível de exposição à luz solar. Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de imitar esse mecanismo de enrolamento e tração para produzir fibras em contração que poderiam ser usadas como músculos artificiais para robôs, próteses, ou outras aplicações mecânicas e biomédicas.

Embora muitas abordagens diferentes tenham sido usadas para criar músculos artificiais, incluindo sistemas hidráulicos, Servo Motors, metais com memória de forma, e polímeros que respondem a estímulos, todos eles têm limitações, incluindo alto peso ou tempos de resposta lentos. O novo sistema baseado em fibra, por contraste, é extremamente leve e pode responder muito rapidamente, dizem os pesquisadores. As descobertas estão sendo relatadas hoje no jornal Ciência .

As novas fibras foram desenvolvidas pelo pós-doutorado do MIT Mehmet Kanik e pela estudante de pós-graduação do MIT Sirma Örgüç, trabalhando com os professores Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, e C. Cem Tasan, e cinco outros, usando uma técnica de desenho de fibra para combinar dois polímeros diferentes em um único fio de fibra.

A chave para o processo é combinar dois materiais com coeficientes de expansão térmica muito diferentes - o que significa que eles têm taxas de expansão diferentes quando são aquecidos. Este é o mesmo princípio usado em muitos termostatos, por exemplo, usando uma tira bimetálica como forma de medir a temperatura. À medida que o material unido aquece, o lado que quer se expandir mais rápido é retido pelo outro material. Como resultado, o material colado se enrola, curvando-se para o lado que está se expandindo mais lentamente.

Usando dois polímeros diferentes ligados entre si, um elastômero de copolímero cíclico muito extensível e um polietileno termoplástico muito mais rígido, Kanik, Örgüç e colegas produziram uma fibra que, quando esticado várias vezes seu comprimento original, naturalmente se forma em uma bobina apertada, muito semelhantes às gavinhas que os pepinos produzem. Mas o que aconteceu a seguir foi realmente uma surpresa quando os pesquisadores o experimentaram pela primeira vez. "Houve muita sorte nisso, “Anikeeva lembra.

Assim que Kanik pegou a fibra enrolada pela primeira vez, só o calor de sua mão fez com que a fibra se enrolasse com mais força. Seguindo essa observação, ele descobriu que mesmo um pequeno aumento na temperatura poderia fazer a bobina apertar, produzindo uma força de tração surpreendentemente forte. Então, assim que a temperatura baixou, a fibra voltou ao seu comprimento original. Em testes posteriores, a equipe mostrou que esse processo de contratação e expansão poderia se repetir 10, 000 vezes "e ainda estava forte, "Anikeeva diz.

Um dos motivos dessa longevidade, ela diz, é que "tudo está operando em condições muito moderadas, "incluindo baixas temperaturas de ativação. Apenas um aumento de 1 grau Celsius pode ser suficiente para iniciar a contração da fibra.

As fibras podem abranger uma ampla gama de tamanhos, de alguns micrômetros (milionésimos de metro) a alguns milímetros (milésimos de metro) de largura, e pode ser facilmente fabricado em lotes de até centenas de metros de comprimento. Testes mostraram que uma única fibra é capaz de levantar cargas de até 650 vezes seu próprio peso. Para esses experimentos em fibras individuais, Örgüç e Kanik desenvolveram dedicados, configurações de teste miniaturizadas.

O grau de aperto que ocorre quando a fibra é aquecida pode ser "programado" determinando-se o quanto de alongamento inicial a fibra deve ser. Isso permite que o material seja ajustado exatamente para a quantidade de força necessária e a quantidade de mudança de temperatura necessária para desencadear essa força.

As fibras são feitas usando um sistema de trefilação de fibra, o que permite incorporar outros componentes na própria fibra. O desenho da fibra é feito criando uma versão superdimensionada do material, chamado de pré-forma, que é então aquecido a uma temperatura específica na qual o material se torna viscoso. Ele pode então ser puxado, muito parecido com puxar caramelo, para criar uma fibra que retém sua estrutura interna, mas é uma pequena fração da largura da pré-forma.

Para fins de teste, os pesquisadores revestiram as fibras com malhas de nanofios condutores. Essas malhas podem ser usadas como sensores para revelar a tensão exata experimentada ou exercida pela fibra. No futuro, essas fibras também podem incluir elementos de aquecimento, como fibras ópticas ou eletrodos, fornecendo uma maneira de aquecê-lo internamente sem ter que depender de nenhuma fonte externa de calor para ativar a contração do "músculo".

Essas fibras podem ser utilizadas como atuadores em braços robóticos, pernas, ou garras, e em membros protéticos, onde seu peso leve e tempos de resposta rápidos podem fornecer uma vantagem significativa.

Alguns membros protéticos hoje podem pesar até 30 libras, com grande parte do peso vindo de atuadores, que geralmente são pneumáticos ou hidráulicos; Atuadores mais leves podem, portanto, tornar a vida muito mais fácil para quem usa próteses. Essas fibras também podem ser utilizadas em pequenos dispositivos biomédicos, como um robô médico que funciona entrando em uma artéria e sendo ativado, "Anikeeva sugere." Temos tempos de ativação da ordem de dezenas de milissegundos a segundos, "dependendo das dimensões, ela diz.

Para fornecer maior força para levantar cargas mais pesadas, as fibras podem ser agrupadas, tanto quanto as fibras musculares são agrupadas no corpo. A equipe testou feixes de 100 fibras com sucesso. Por meio do processo de estiramento da fibra, sensores também podem ser incorporados nas fibras para fornecer feedback sobre as condições que encontram, como em um membro protético. Örgüç diz que as fibras musculares agrupadas com um mecanismo de feedback de circuito fechado podem encontrar aplicações em sistemas robóticos onde o controle automatizado e preciso é necessário.

Kanik diz que as possibilidades para materiais deste tipo são virtualmente ilimitadas, porque quase qualquer combinação de dois materiais com diferentes taxas de expansão térmica pode funcionar, deixando um vasto reino de combinações possíveis para explorar. Ele acrescenta que essa nova descoberta foi como abrir uma nova janela, apenas para ver "um monte de outras janelas" esperando para serem abertas.

“A força deste trabalho está na sua simplicidade, " ele diz.