Novos músculos artificiais feitos de fios nanotecnológicos e infundidos com cera de parafina podem levantar mais de 100, 000 vezes o seu próprio peso e geram 85 vezes mais potência mecânica durante a contração do que o músculo natural do mesmo tamanho, de acordo com cientistas da Universidade do Texas em Dallas e sua equipe internacional da Austrália, China, Coreia do Sul, Canadá e Brasil.
Os músculos artificiais são fios construídos a partir de nanotubos de carbono, que são perfeitos, cilindros ocos feitos do mesmo tipo de camadas de grafite encontradas no núcleo de lápis comuns. Nanotubos individuais podem ser 10, 000 vezes menor que o diâmetro de um cabelo humano, ainda, libra por libra, pode ser 100 vezes mais forte do que o aço.
"Os músculos artificiais que desenvolvemos podem fornecer grandes, contrações ultrarrápidas para levantar pesos 200 vezes mais pesados do que o possível para um músculo natural do mesmo tamanho, "disse o Dr. Ray Baughman [pronuncia-se BAK-man], Lider do Time, Robert A. Welch Professor de Química e diretor do Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute da UT Dallas. "Embora estejamos entusiasmados com as possibilidades de aplicações de curto prazo, esses músculos artificiais são atualmente inadequados para substituir diretamente os músculos do corpo humano. "
Descrito em um estudo publicado online hoje na revista Ciência , os novos músculos artificiais são feitos pela infiltração de um "hóspede que muda o volume", "como a cera de parafina usada para velas, em fios torcidos feitos de nanotubos de carbono. Aquecendo o fio preenchido com cera, seja eletricamente ou usando um flash de luz, faz com que a cera se expanda, o volume do fio a aumentar, e o comprimento do fio se contrair.
A combinação do aumento do volume do fio com a diminuição do comprimento do fio resulta da estrutura helicoidal produzida pela torção do fio. Brinquedo de algema de dedo de uma criança, que é projetado para prender os dedos de uma pessoa em ambas as extremidades de um cilindro tecido helicoidal, tem uma ação análoga. Escapar, deve-se juntar os dedos, que contrai o comprimento do tubo e expande seu volume e diâmetro.
"Por causa de sua simplicidade e alto desempenho, esses músculos do fio podem ser usados para diversas aplicações, como robôs, cateteres para cirurgia minimamente invasiva, micromotores, misturadores para circuitos microfluídicos, sistemas ópticos sintonizáveis, microválvulas, posicionadores e até brinquedos, "Baughman disse.
A contração muscular - também chamada de atuação - pode ser ultrarrápida, ocorrendo em 25 milésimos de segundo. Incluindo os tempos de atuação e reversão da atuação, os pesquisadores demonstraram uma densidade de potência contrátil de 4,2 kW / kg, que é quatro vezes a relação potência-peso dos motores de combustão interna comuns.
Para alcançar esses resultados, os músculos do nanotubo de carbono preenchidos pelo hóspede foram altamente torcidos para produzir enrolamento, como com o enrolamento visto de um elástico de um aeromodelo movido a elástico.
Quando estiver livre para girar, um fio cheio de cera se desfaz ao ser aquecido eletricamente ou por um pulso de luz. Esta rotação é invertida quando o aquecimento é interrompido e o fio esfria. Tal ação de torção do fio pode girar uma pá fixada a uma velocidade média de 11, 500 rotações por minuto por mais de 2 milhões de ciclos reversíveis. Libra por libra, o torque gerado é ligeiramente superior ao obtido para grandes motores elétricos, Disse Baughman.
Porque os músculos do fio podem ser torcidos juntos e podem ser tecidos, costurado, trançado e com nós, eles podem eventualmente ser implantados em uma variedade de materiais e têxteis inteligentes com alimentação própria. Por exemplo, mudanças na temperatura ambiente ou a presença de agentes químicos podem alterar o volume do hóspede; tal atuação pode alterar a porosidade têxtil para fornecer conforto térmico ou proteção química. Esses músculos fios também podem ser usados para regular uma válvula de fluxo em resposta a produtos químicos detectados, ou ajuste a abertura da cortina da janela em resposta à temperatura ambiente.
Mesmo sem a adição de um material convidado, os co-autores descobriram que a introdução de enrolamento no fio de nanotubo aumenta em dez vezes o coeficiente de expansão térmica do fio. Este coeficiente de expansão térmica é negativo, o que significa que o fio não preenchido se contrai à medida que é aquecido. Aquecer o fio em atmosfera inerte desde a temperatura ambiente até cerca de 2, 500 graus Celsius forneceram mais de 7 por cento de contração ao levantar cargas pesadas, indicando que esses músculos podem ser implantados a temperaturas de 1000 C acima do ponto de fusão do aço, onde nenhum outro atuador de alta capacidade de trabalho pode sobreviver.
"Esta expansão térmica muito amplificada para os fios enrolados indica que eles podem ser usados como materiais inteligentes para a regulação da temperatura entre 50 C abaixo de zero e 2, 500 C, disse Dr. Márcio Lima, um associado de pesquisa no NanoTech Institute da UT Dallas que foi co-autor principal do Ciência trabalho com o estudante de graduação Na Li da Universidade de Nankai e do NanoTech Institute.
"O desempenho notável de nosso músculo de fio e nossa capacidade atual de fabricar fios de comprimento de quilômetro sugerem a viabilidade da comercialização inicial como pequenos atuadores compreendendo comprimento de fio em escala centimétrica, "Baughman disse." O desafio mais difícil é aumentar a escala de nossos atuadores de fio único para grandes atuadores nos quais centenas ou milhares de músculos de fio individuais operam em paralelo. "
