Negli ultimi 15 anni, ricercatori dell'Università del Texas a Dallas e i loro colleghi internazionali hanno inventato diversi tipi di potenti muscoli artificiali che utilizzano materiali che vanno dai nanotubi di carbonio ad alta tecnologia (CNT) alla normale lenza.

In un nuovo studio pubblicato il 12 luglio sulla rivista Scienza , i ricercatori descrivono il loro ultimo progresso, chiamati muscoli artificiali inguainati, o SRAM.

I muscoli precedenti del gruppo di ricerca sono stati realizzati torcendo il filato CNT, filo da pesca in polimero o filo per cucire in nylon. Torcendo queste fibre al punto che si arrotolano, i ricercatori hanno prodotto muscoli che si contraggono drammaticamente, o azionare, per tutta la loro lunghezza quando sono riscaldati e tornano alla loro lunghezza iniziale quando sono raffreddati.

Per formare i nuovi muscoli, il team di ricerca ha applicato un rivestimento polimerico ai filati CNT ritorti, così come al nylon poco costoso, filati di seta e bambù, creando una guaina attorno all'anima del filo.

"Nei nostri nuovi muscoli, è la guaina attorno a un filo arrotolato o ritorto che guida l'attuazione e fornisce densità di lavoro per ciclo e di potenza molto più elevate rispetto ai nostri muscoli precedenti, " ha detto il dottor Ray Baughman, autore corrispondente dello studio, la Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry e direttore dell'Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute a UT Dallas.

Nei loro esperimenti, un passaggio chiave per realizzare i muscoli finiti è stato quello di torcere i fili appena rivestiti fino a quando non si arrotolano, mentre il materiale della guaina era ancora bagnato.

"Se si inserisce attorcigliando o avvolgendo dopo che la guaina si è asciugata, la guaina si spezzerà, " Baughman ha detto. "Anche l'ottimizzazione dello spessore della guaina è molto importante. Se è troppo denso, il filo ritorto al centro non sarà in grado di districarsi perché la guaina lo tiene in posizione. Se è troppo sottile, lo scioglimento del filo farà spezzare la guaina».

Dottor Jiuke Mu, autore principale dello studio e ricercatore presso il NanoTech Institute, sviluppò per primo il concetto di muscolo artificiale a guaina. Nella configurazione a guaina, la guaina esterna assorbe energia e guida l'attivazione del muscolo.

"Nei nostri precedenti muscoli contorti e arrotolati, abbiamo applicato energia termica a tutto il muscolo, ma solo l'esterno, la parte attorcigliata della fibra svolgeva un lavoro meccanico, la parte centrale faceva poco, " Mu ha detto. "Usando la guaina, l'energia in ingresso può essere convertita in energia meccanica del muscolo in modo più rapido ed efficiente.

"Perché consumare energia riscaldando tutto il filato, quando tutto ciò di cui hai bisogno è riscaldare la parte esterna del filo perché si attivi?" disse Mu. "Con i nostri nuovi muscoli, dobbiamo solo mettere energia nella guaina."

Baughman ha detto che molti materiali potrebbero essere usati per la guaina, purché abbiano resistenza e possano subire variazioni dimensionali sotto varie variabili ambientali, come variazioni di temperatura o umidità.

Quando azionato elettrochimicamente, un muscolo costituito da una guaina CNT e un nucleo di nylon ha generato una potenza contrattile media che è 40 volte quella del muscolo umano e 9 volte quella del muscolo elettrochimico alternativo di potenza più elevata.

"Nel nostro lavoro precedente, abbiamo dimostrato che i filati realizzati con nanotubi di carbonio creano meravigliosi muscoli artificiali. Tali filati sono leggeri, eppure sono più forti e più potenti dei muscoli umani della stessa lunghezza e peso, " ha detto Baughman.

"Ma il filato di nanotubi di carbonio è molto costoso, quindi in questo nuovo lavoro, stiamo andando in una direzione diversa, " ha detto. "Abbiamo scoperto che mentre possiamo usare i nanotubi di carbonio come materiale di base per muscoli artificiali a guaina, non dobbiamo. Abbiamo dimostrato che i filati CNT possono essere sostituiti da filati economici, filati disponibili in commercio."

Ha aggiunto che il processo di rivestimento del polimero potrebbe essere facilmente ampliato per la produzione commerciale.

"Poiché la tecnologia SRAM consente la sostituzione dei filati CNT con filati più economici, questi muscoli sono molto attraenti per le strutture intelligenti, come la robotica e l'abbigliamento confortevole, " ha detto Baughman.

Per dimostrare le possibili applicazioni dei consumatori di muscoli artificiali inguainati, i ricercatori hanno lavorato a maglia SRAM in un tessuto che aumentava la porosità se esposto all'umidità. Hanno anche dimostrato una SRAM realizzata con filo di nylon rivestito di polimero che si contrae linearmente quando esposto a una crescente concentrazione di glucosio. Questo muscolo potrebbe essere usato per spremere una sacca per rilasciare farmaci per contrastare la glicemia alta.