Man mano che cresce una pianta di cetriolo, germogliano viticci strettamente arrotolati che cercano supporti per tirare la pianta verso l'alto. Ciò garantisce che la pianta riceva la massima esposizione alla luce solare possibile. Ora, i ricercatori del MIT hanno trovato un modo per imitare questo meccanismo di avvolgimento e trazione per produrre fibre contraenti che potrebbero essere utilizzate come muscoli artificiali per i robot, arti protesici, o altre applicazioni meccaniche e biomediche.

Sebbene siano stati utilizzati molti approcci diversi per la creazione di muscoli artificiali, compresi i sistemi idraulici, servomotori, metalli a memoria di forma, e polimeri che rispondono agli stimoli, hanno tutti dei limiti, compreso peso elevato o tempi di risposta lenti. Il nuovo sistema a fibra, al contrario, è estremamente leggero e può rispondere molto rapidamente, dicono i ricercatori. I risultati vengono riportati oggi sulla rivista Scienza .

Le nuove fibre sono state sviluppate dal postdoc del MIT Mehmet Kanik e dalla studentessa laureata del MIT Sirma Örgüç, lavorando con i professori Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, e C. Cem Tasan, e altri cinque, utilizzando una tecnica di trafilatura delle fibre per combinare due polimeri dissimili in un unico filo di fibra.

La chiave del processo è l'accoppiamento di due materiali che hanno coefficienti di espansione termica molto diversi, il che significa che hanno tassi di espansione diversi quando vengono riscaldati. Questo è lo stesso principio utilizzato in molti termostati, Per esempio, utilizzando una striscia bimetallica come metodo di misurazione della temperatura. Quando il materiale unito si riscalda, il lato che vuole espandersi più velocemente è trattenuto dall'altro materiale. Di conseguenza, il materiale legato si arriccia, piegandosi verso il lato che si sta espandendo più lentamente.

Utilizzando due diversi polimeri legati insieme, un elastomero copolimero ciclico molto estensibile e un polietilene termoplastico molto più rigido, Kanik, Örgüç e colleghi hanno prodotto una fibra che, quando allungato a più volte la sua lunghezza originale, si forma naturalmente in una spirale stretta, molto simile ai viticci che producono i cetrioli. Ma quello che è successo dopo è stato davvero una sorpresa quando i ricercatori l'hanno sperimentato per la prima volta. "C'era molta serendipità in questo, "Ricorda Anikeeva.

Non appena Kanik raccolse per la prima volta la fibra arrotolata, solo il calore della sua mano fece arricciare maggiormente la fibra. Facendo seguito a tale osservazione, scoprì che anche un piccolo aumento di temperatura poteva far irrigidire la bobina, producendo una forza di trazione sorprendentemente forte. Quindi, appena la temperatura si è abbassata, la fibra è tornata alla sua lunghezza originale. In successivi test, il team ha dimostrato che questo processo di contrazione ed espansione potrebbe essere ripetuto 10, 000 volte "e stava ancora andando forte, " dice Anikeeva.

Uno dei motivi di quella longevità, lei dice, è che "tutto sta operando in condizioni molto moderate, " comprese le basse temperature di attivazione. Solo un aumento di 1 grado Celsius può essere sufficiente per avviare la contrazione della fibra.

Le fibre possono abbracciare un'ampia gamma di dimensioni, da pochi micrometri (milionesimi di metro) a pochi millimetri (millesimi di metro) di larghezza, e può essere facilmente prodotto in lotti lunghi fino a centinaia di metri. I test hanno dimostrato che una singola fibra è in grado di sollevare carichi fino a 650 volte il proprio peso. Per questi esperimenti su singole fibre, Örgüç e Kanik hanno sviluppato dedicati, configurazioni di test miniaturizzate.

Il grado di serraggio che si verifica quando la fibra viene riscaldata può essere "programmato" determinando quanto di allungamento iniziale dare alla fibra. Ciò consente al materiale di essere sintonizzato esattamente sulla quantità di forza necessaria e sulla quantità di variazione di temperatura necessaria per attivare tale forza.

Le fibre sono realizzate con un sistema di stiro-fibra, che permette di incorporare altri componenti nella fibra stessa. La trafilatura della fibra avviene creando una versione sovradimensionata del materiale, chiamato preforma, che viene poi riscaldato ad una temperatura specifica alla quale il materiale diventa viscoso. Può quindi essere tirato, proprio come tirare caramelle, per creare una fibra che mantenga la sua struttura interna ma sia una piccola frazione della larghezza della preforma.

A scopo di test, i ricercatori hanno rivestito le fibre con reti di nanofili conduttivi. Queste maglie possono essere utilizzate come sensori per rivelare l'esatta tensione sperimentata o esercitata dalla fibra. Nel futuro, queste fibre potrebbero includere anche elementi riscaldanti come fibre ottiche o elettrodi, fornendo un modo per riscaldarlo internamente senza dover fare affidamento su alcuna fonte di calore esterna per attivare la contrazione del "muscolo".

Tali fibre potrebbero trovare impiego come attuatori nei bracci robotici, gambe, o pinze, e negli arti protesici, dove il loro peso ridotto e i tempi di risposta rapidi potrebbero fornire un vantaggio significativo.

Alcuni arti protesici oggi possono pesare fino a 30 libbre, con gran parte del peso proveniente dagli attuatori, che sono spesso pneumatici o idraulici; attuatori più leggeri potrebbero così rendere la vita molto più facile a chi usa le protesi. Tali fibre potrebbero trovare impiego anche in minuscoli dispositivi biomedici, come un robot medico che funziona entrando in un'arteria e poi viene attivato, " suggerisce Anikeeva. "Abbiamo tempi di attivazione dell'ordine di decine di millisecondi in secondi, "a seconda delle dimensioni, lei dice.

Per fornire una maggiore resistenza per il sollevamento di carichi più pesanti, le fibre possono essere impacchettate insieme, tanto quanto le fibre muscolari sono impacchettate nel corpo. Il team ha testato con successo fasci di 100 fibre. Attraverso il processo di trafilatura della fibra, i sensori potrebbero anche essere incorporati nelle fibre per fornire feedback sulle condizioni che incontrano, come in un arto protesico. Örgüç afferma che le fibre muscolari in bundle con un meccanismo di feedback a circuito chiuso potrebbero trovare applicazioni nei sistemi robotici in cui è richiesto un controllo automatizzato e preciso.

Kanik afferma che le possibilità per materiali di questo tipo sono praticamente illimitate, perché quasi qualsiasi combinazione di due materiali con diversi tassi di espansione termica potrebbe funzionare, lasciando un vasto regno di possibili combinazioni da esplorare. Aggiunge che questa nuova scoperta è stata come aprire una nuova finestra, solo per vedere "un mucchio di altre finestre" in attesa di essere aperte.

"La forza di questo lavoro sta nella sua semplicità, " lui dice.