Il pull-up, un esercizio temuto dai più, risponde a una domanda fondamentale:i tuoi muscoli sono abbastanza forti da sollevare il tuo peso corporeo?

Alcuni ricercatori dell'Illinois che lavorano sui muscoli artificiali stanno vedendo risultati che anche le persone più in forma invidierebbero, progettare muscoli in grado di sollevare fino a 12, 600 volte il loro stesso peso.

Assistente professore di scienze meccaniche e ingegneria Sameh Tawfick, Caterina Lamuta, borsista post-dottorato Beckman, e Simon Messelot hanno recentemente pubblicato uno studio su come progettare muscoli artificiali super forti sulla rivista Materiali e strutture intelligenti . I nuovi muscoli sono realizzati in gomma silossanica rinforzata con fibra di carbonio e hanno una geometria a spirale.

Questi muscoli sono in grado non solo di sollevare fino a 12, 600 volte il loro peso, ma supportando anche fino a 60 MPa di stress meccanico, fornendo corse di trazione superiori al 25% e lavoro specifico fino a 758 J/kg. Questa quantità è 18 volte superiore al lavoro specifico che i muscoli naturali sono in grado di produrre. Quando azionato elettricamente, i muscoli artificiali a base di fibra di carbonio mostrano prestazioni eccellenti senza richiedere un elevato voltaggio in ingresso:gli autori hanno mostrato come un fascio muscolare di 0,4 mm di diametro è in grado di sollevare mezzo gallone d'acqua di 1,4 pollici con una tensione applicata di soli 0,172 V/cm.

"La gamma di applicazioni di questi muscoli artificiali a basso costo e peso leggero è davvero ampia e coinvolge diversi campi come la robotica, protesi, plantari, e dispositivi di assistenza umana, " Ha detto Lamuta. "Il modello matematico che abbiamo proposto è un utile strumento di progettazione per adattare le prestazioni dei muscoli artificiali a spirale in base alle diverse applicazioni. Per di più, il modello fornisce una chiara comprensione di tutti i parametri che giocano un ruolo importante nel meccanismo di attuazione, e questo incoraggia i futuri lavori di ricerca verso lo sviluppo di nuove tipologie di muscoli arrotolati rinforzati con fibre con proprietà migliorate".

Gli stessi muscoli artificiali sono bobine composte da fibre di carbonio commerciali e polidimetilsilossano (PDMS). Un tow di fibre di carbonio viene inizialmente immerso in PDMS non polimerizzato diluito con esano e quindi ritorto con un semplice trapano per creare un filato con una forma omogenea e un raggio costante. Dopo la guarigione del PDMS, il filato composito diritto è altamente ritorto fino a quando non è completamente avvolto.

"I muscoli arrotolati sono stati inventati di recente utilizzando fili di nylon, " Tawfick ha detto. "Possono esercitare grandi colpi di azionamento, che li rendono incredibilmente utili per le applicazioni nei dispositivi di assistenza umana:se solo potessero essere resi molto più forti."

Il team ha fissato l'obiettivo di trasformare le fibre di carbonio, un materiale leggero molto resistente che è facilmente disponibile in commercio, in muscoli artificiali.

"Per utilizzare fibre di carbonio, dovevamo capire il meccanismo di contrazione dei muscoli arrotolati. Una volta scoperta la teoria, abbiamo imparato a trasformare le fibre di carbonio in muscoli ultra resistenti. Abbiamo semplicemente riempito i rimorchi in fibra di carbonio con il tipo adatto di gomma siliconica, e la loro esibizione è stata impressionante, esattamente quello a cui avevamo mirato, " Ha detto Tawfick. Questo studio dimostra che la contrazione muscolare è causata da un aumento del raggio del filo muscolare dovuto all'espansione termica o all'assorbimento del solvente della lima di silicone. "I muscoli si flettono quando la gomma di silicone spinge localmente le fibre all'interno del rimorchio. , applicando una tensione, calore o rigonfiamento da parte di un solvente. La pressione interna esercitata dalla gomma siliconica sulle fibre fa espandere e srotolare il diametro di traino provocando una corsa di contrazione lungo la lunghezza."

Durante la caratterizzazione sperimentale, una tensione continua è stata applicata alle estremità della bobina per indurre il riscaldamento del composito e provocare a sua volta l'azionamento a trazione. L'estremità superiore della bobina è stata fissata, mentre un carico era attaccato al fondo per creare tensione. Il colpo di trazione è stato catturato da una cinepresa, e analizzato fotogramma per fotogramma. L'attivazione della trazione è stata indotta anche attraverso il rigonfiamento tramite esano liquido somministrato al muscolo arrotolato.

Possono questi muscoli flettersi ancora di più, ottenere colpi più grandi? Lo stretto accordo tra previsioni matematiche e realizzazione sperimentale fornisce fiducia nel rispondere a questa domanda. Il team ha scoperto che l'attivazione della trazione dei muscoli arrotolati artificiali può essere limitata dalla capacità del materiale ospite (silicone) di espandersi, un limite imposto dalle proprietà di degradazione termica del materiale ospite. Questo spiega perché i muscoli azionati dal gonfiore hanno sollecitazioni di attivazione più elevate, sono in grado di gonfiarsi più dei muscoli indotti dal calore. Il modello teorico proposto dagli autori fa luce su come progettare materiale ospite che potrebbe consentire ai muscoli una performance ancora più impressionante.