Os músculos artificiais obtiveram ganhos significativos quando uma torção literal na abordagem de desenvolvimento revelou a capacidade de tração - ou elasticidade - das fibras poliméricas, uma vez que eram torcidas e enroladas em uma geometria semelhante a uma mola. De maneira semelhante às poderosas gavinhas trepadeiras das plantas de pepino, a geometria exclusiva dá à bobina um movimento de flexão quando o material da fibra encolhe - uma reação que pode ser controlada com calor. Agora, os pesquisadores aprimoraram essas propriedades de tração ainda mais, concentrando-se nas propriedades térmicas da fibra do polímero e na estrutura molecular que faz o melhor uso da configuração quiral.

No artigo de capa publicado esta semana em Cartas de Física Aplicada , Guoqiang Li e sua equipe do Departamento de Engenharia Mecânica e Industrial da Louisiana State University discutem como desenvolveram uma nova fibra que oferece maior curso de tração e é acionada - ou atuada - em temperaturas mais de 100 graus Celsius mais frias do que suas predecessoras.

"Analisamos o princípio por trás da fibra de polímero, através de torção e enrolamento, pode se comportar de forma tão notável, "disse Li, explicando sua metodologia. De acordo com Li, eles encontraram dois fatores determinantes:a natureza destorcida da fibra durante a atuação e o coeficiente negativo de expansão térmica (NCTE). A fibra de polímero de memória de forma bidirecional (2W-SMP) que Li e sua equipe desenvolveram abordou esses dois fatores.

Quando se trata de destorção que leva esta arquitetura quiral-sobre-quiral a se flexionar e contrair, O grupo de Li se concentrou nessa questão no nível molecular. As respostas reversíveis do polímero 2W-SMP que os tornam ideais vêm de uma rede molecular estável de ligações cruzadas químicas. A rede fornece cadeias de moléculas orientadas no polímero, cuja fusão e recristalização dão origem às importantes características de memória da fibra.

A transição reversível fusão / cristalização também forneceu melhores propriedades de expansão térmica em comparação com fibras padrão, onde a atuação vem da contração intrínseca dos componentes do polímero na presença de calor (e relaxamento quando o calor é removido). A fibra 2W-SMP demonstra expansão / contração térmica uma ordem de magnitude maior do que o NCTE de seus predecessores.

Ao abordar essas duas características, as fibras que Li produziu e testou em suas configurações musculares torcidas e depois enroladas mostraram maior atuação de tração, mas também baixaram a temperatura necessária para acionar essas fibras musculares artificiais.

“A temperatura de atuação é muito alta nas fibras poliméricas utilizadas anteriormente, por exemplo, eles podem ir a 160 graus C, "disse Li." Para algumas aplicações, como dispositivos médicos, [a] temperatura de atuação está muito alta. Portanto, você precisa encontrar uma maneira de reduzi-lo. "Isso é exatamente o que o grupo fez, relatando temperaturas máximas de atuação de 67 C.

A baixa temperatura é significativa quando se considera uma série de aplicações relacionadas à temperatura do corpo humano, além de apenas dispositivos médicos, incluindo tecidos respiráveis ​​e materiais de autocura cujas estruturas se adaptam às mudanças ambientais.

Li e sua equipe ainda enfrentam desafios com o desempenho do trabalho específico da fibra, bem como a eficiência na conversão de energia térmica em atuação, e procure abordar essas questões em trabalhos futuros. Uma abordagem potencial pode ser incorporar reforço condutor ao material com nanotubos de carbono.

"Nosso polímero é muito macio. Então, adicionando um pouco de reforço, como nanotubos de carbono, teríamos dois benefícios, "Disse Li." O primeiro torna-se um condutor, isso significa que também podemos usar eletricidade e fazer com que ela desencadeie o comportamento muscular. A outra é que o nanotubo de carbono aumentará a rigidez. “Maior rigidez significa melhor armazenamento de energia para a fibra, o que, por sua vez, aumenta a eficiência de conversão de energia.