Um filamento é preso na extremidade superior e pré-esticado por uma pequena quantidade aplicando uma carga axial para baixo na extremidade inferior. A extremidade inferior é então torcida, mantendo a carga axial na extremidade inferior constante. Depois que uma quantidade crítica de torção é inserida, o filamento se dobra espontaneamente em um loop. Crédito:Nicholas Charles / Harvard SEAS
Os músculos artificiais irão alimentar os robôs macios e dispositivos vestíveis do futuro. Mas é preciso entender mais sobre a mecânica subjacente dessas estruturas poderosas para projetar e construir novos dispositivos.
Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson descobriram algumas das propriedades físicas fundamentais das fibras musculares artificiais.
"Filamentos finos e macios que podem se esticar facilmente, dobrar, torção ou cisalhamento são capazes de deformações extremas que levam a nós, estruturas em forma de trança ou loop que podem armazenar ou liberar energia facilmente, "disse L. Mahadevan, a professora de matemática aplicada Lola England de Valpine, da Biologia Organísmica e Evolutiva, e de Física. "Isso foi explorado por vários grupos experimentais recentemente para criar fibras musculares artificiais prototípicas. Mas como a topologia, a geometria e a mecânica dessas fibras delgadas se juntam durante esse processo não estavam completamente claras. Nosso estudo explica os princípios teóricos subjacentes a essas transformações de forma, e esclarece os princípios de design subjacentes. "
"As fibras macias são a unidade básica de um músculo e podem ser usadas em tudo, desde robótica a tecidos inteligentes que podem responder a estímulos como calor ou umidade, "disse Nicholas Charles, um Ph.D. estudante de Matemática Aplicada e primeira autora do artigo. "As possibilidades são infinitas, se pudermos entender o sistema. Nosso trabalho explica a morfologia complexa de soft, fibras fortemente esticadas e torcidas e fornece orientações para os melhores designs. "
Um filamento é preso na extremidade superior e pré-esticado pela aplicação de uma carga axial descendente na extremidade inferior. Depois que uma quantidade crítica de torção é inserida, o filamento se dobra espontaneamente em uma forma conhecida como solenóide. Crédito:Nicholas Charles / Harvard SEAS
A pesquisa é publicada em Cartas de revisão física .
Fibras macias, ou filamentos, pode ser esticado, cisalhado, dobrado ou torcido. Como essas diferentes ações interagem para formar nós, tranças, e hélices é importante para o projeto de atuadores macios. Imagine esticar e torcer um elástico o mais apertado possível. Conforme a torção fica mais e mais apertada, parte da banda vai pular para fora do avião e começar a se torcer em uma bobina ou nó. Essas bobinas e loops, da forma certa, pode ser aproveitado para acionar a fibra atada.
Os pesquisadores descobriram que diferentes níveis de alongamento e torção resultam em diferentes tipos de formas complexas não planas. Eles caracterizaram quais formas levam a loops dobrados, qual para apertar bobinas, e qual a uma mistura dos dois. Eles descobriram que o pré-estiramento é importante para a formação de bobinas, como essas formas são mais estáveis sob o alongamento, e modelou como essas bobinas podem ser usadas para produzir trabalho mecânico.
"Esta pesquisa nos dá uma maneira simples de prever como os filamentos moles responderão à torção e ao alongamento, "disse Charles.
"Daqui para frente, nosso trabalho também pode ser relevante em outras situações envolvendo filamentos emaranhados, como em cachos de cabelo, a dinâmica do polímero e a dinâmica das linhas do campo magnético no sol e em outras estrelas, "disse Mahadevan.
