Novos músculos artificiais adaptativos feitos de um fio de lã helicoidal único

Uma ilustração da construção hierárquica da equipe de músculos artificiais de fios de lã independentes para tecidos inteligentes sensíveis à umidade. Crédito:Peng et al.

Nos últimos anos, os cientistas de materiais projetaram uma ampla gama de materiais inovadores que podem ser usados para criar novas tecnologias, incluindo robôs macios, controladores e tecidos inteligentes. Esses materiais incluem músculos artificiais, estruturas que se assemelham a músculos biológicos em forma e que podem melhorar os movimentos de robôs ou possibilitar a criação de roupas que se adaptem a diferentes condições ambientais.
Como parte de um projeto em andamento focado em atuadores macios baseados em têxteis, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Jiangnan, na China, desenvolveu recentemente novos músculos artificiais baseados em fios de lã de hélice única independentes. Seus músculos artificiais, apresentados em um artigo publicado em Smart Materials and Structures , pode ser usado para produzir atuadores torcidos de maneira fácil e econômica que podem detectar e responder à umidade em seu ambiente.

"Estamos tentando projetar atuadores flexíveis e versáteis, aproveitando o design de estrutura hierárquica de têxteis, variando de microescalas (por exemplo, cadeias moleculares e estruturas de agregação) a macroescalas (por exemplo, morfologia de fibra e arquiteturas têxteis)", Fengxin Sun, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, disseram ao Tech Xplore. "Concretizar um músculo artificial baseado em fios com arquitetura independente e helicoidal única por meio de um processo de fabricação ecológico e de fácil fabricação ainda é um desafio."

O objetivo principal do trabalho recente de Sun e seus colegas foi superar alguns dos desafios comuns enfrentados ao projetar músculos artificiais baseados em fios (ou seja, fios fiados). Mais notavelmente, estudos anteriores mostraram que torcer o fio de forma confiável para criar estruturas musculares artificiais independentes sem usar produtos químicos ou processos nocivos está longe de ser uma tarefa fácil.

Os pesquisadores da Universidade de Jiangnan, no entanto, conseguiram identificar uma estratégia de tratamento ecologicamente correta para a produção confiável de músculo à base de fios de hélice única. Seu método de fabricação é baseado em uma combinação de iluminação UV e gravação de plasma, uma técnica de processamento de plasma frequentemente usada para produzir circuitos integrados.

Esta técnica de processamento pode limitar a dissipação de energia das fibras de lã, melhorando assim o desempenho de atuação dos músculos artificiais. Além disso, é eficaz, escalável e fácil de implementar, portanto, pode ser ideal para fabricar essas estruturas semelhantes a músculos em nível industrial.

"Os músculos artificiais de fios de lã que criamos exibem atuação reversível de torção quando expostos alternadamente a ambientes úmidos e secos", explicou Sun. "Os músculos do fio exibem uma impressionante atuação de torção ao molhar, como resultado da expansão higroscópica amplificada das lãs altamente torcidas. '"

Devido ao design exclusivo e à abordagem de fabricação utilizada pelos pesquisadores, o fio que compõe sua estrutura muscular artificial pode recuperar sua forma helicoidal original depois de seco, sem a necessidade da integração de uma mola externa. Nos testes iniciais, os músculos à base de fios de hélice única exibiram atuação reversível e sensível à umidade, bem como um alto desempenho de atuação da umidade com menor dissipação de energia.

Notavelmente, o processo de fabricação empregado por Sun e seus colegas também é ecologicamente correto, pois não requer aditivos químicos e tóxicos. Como seus músculos artificiais são feitos de lã, que é inerentemente biodegradável e renovável, eles podem ser usados para criar tecnologias mais sustentáveis e têxteis inteligentes.

"Estruturas de hélice simples são geralmente consideradas instáveis e propensas a destorcer sem amarração de torção externa, mas aqui aproveitamos o efeito de amarração interna de pontes de dissulfeto reformadas no estado de estrutura helicoidal de lãs para estabilizar as torções inseridas nos músculos do fio via luz UV iluminação e autooxidação", disse Sun. "Essa estratégia é totalmente ecologicamente correta e melhora muito o desempenho de atuação dos músculos do fio de lã."

No futuro, o trabalho recente dessa equipe de pesquisadores poderá inspirar o desenvolvimento de novos atuadores baseados em fios e músculos artificiais para robôs que possam ser produzidos de forma sustentável, a custos razoáveis e em larga escala. Além disso, o fio de lã de hélice única que eles produziram poderia ser usado para criar têxteis confortáveis, respiráveis, não tóxicos e amigáveis para a pele para roupas inteligentes, equipamentos de acampamento inteligentes e outros produtos têxteis inteligentes.

“Na próxima etapa de nossa pesquisa, exploraremos o caminho para a fabricação industrial de nossos músculos artificiais, para realizar sua produção em massa e promover a inovação tecnológica para a aplicação comercial dos músculos do fio em têxteis inteligentes”, acrescentou Sun. "Imaginando uma camisa, o fio pode se adaptar a diferentes condições climáticas, alternando inteligentemente o ar no tecido, isso seria fascinante. Esperamos que esse tipo de roupa esteja disponível em nossa vida diária a um custo baixo." + Explorar mais