Un'illustrazione della costruzione gerarchica del team di muscoli artificiali in filato di lana autoportanti per tessuti intelligenti sensibili all'umidità. Credito:Peng et al.
Negli ultimi anni, gli scienziati dei materiali hanno progettato un'ampia gamma di materiali innovativi che potrebbero essere utilizzati per creare nuove tecnologie, inclusi robot morbidi, controller e tessuti intelligenti. Questi materiali includono muscoli artificiali, strutture che nella forma ricordano i muscoli biologici e che potrebbero migliorare i movimenti dei robot o consentire la creazione di indumenti che si adattano alle diverse condizioni ambientali.
Nell'ambito di un progetto in corso incentrato sugli attuatori morbidi a base tessile, un team di ricercatori dell'Università di Jiangnan in Cina ha recentemente sviluppato nuovi muscoli artificiali basati su filato di lana a singola elica autoportante. I loro muscoli artificiali, presentati in un articolo pubblicato su Smart Materials and Structures , potrebbe essere utilizzato per produrre in modo semplice e conveniente attuatori attorcigliati in grado di rilevare e rispondere all'umidità nel loro ambiente.
"Stiamo cercando di progettare attuatori flessibili e versatili sfruttando il design della struttura gerarchica dei tessuti, che vanno da microscale (ad esempio, catene molecolari e strutture di aggregazione) a macroscale (ad esempio, morfologia delle fibre e architetture tessili)," Fengxin Sun, uno dei i ricercatori che hanno condotto lo studio, hanno detto a Tech Xplore. "Realizzare un muscolo artificiale a base di filato con un'architettura indipendente e a elica singola tramite un processo di produzione ecologico e di facile fabbricazione è ancora impegnativo."
L'obiettivo principale del recente lavoro di Sun e dei suoi colleghi era quello di superare alcune delle sfide comuni affrontate durante la progettazione di muscoli artificiali basati su filato (cioè filo filato). In particolare, studi passati hanno dimostrato che torcere in modo affidabile il filato per creare strutture muscolari artificiali autoportanti senza utilizzare prodotti chimici o processi dannosi è tutt'altro che un compito facile.
I ricercatori della Jiangnan University, tuttavia, sono stati in grado di identificare una strategia di trattamento eco-compatibile per la produzione affidabile di muscoli a base di filato a singola elica. Il loro metodo di fabbricazione si basa su una combinazione di illuminazione UV e incisione al plasma, una tecnica di elaborazione al plasma spesso utilizzata per produrre circuiti integrati.
Questa tecnica di lavorazione può limitare la dissipazione di energia dalle fibre di lana, migliorando così le prestazioni di attivazione dei muscoli artificiali. Inoltre, è efficace, scalabile e facile da implementare, quindi potrebbe essere l'ideale per fabbricare queste strutture simili a muscoli a livello industriale.
"I muscoli artificiali del filato di lana che abbiamo creato mostrano un'attivazione torsionale reversibile quando esposti alternativamente ad ambienti umidi e asciutti", ha spiegato Sun. "I muscoli del filato mostrano un'impressionante attivazione torsionale al momento della bagnatura, come risultato dell'espansione igroscopica amplificata delle lane altamente ritorte. La morfologia elicoidale solidificata nelle lane risultante dalle reti disolfuro riformate conferisce ai filati di lana un 'effetto memoria di forma. '"
Grazie all'approccio unico di progettazione e fabbricazione utilizzato dai ricercatori, il filato che costituisce la loro struttura muscolare artificiale può recuperare la sua forma elicoidale originale dopo essere stato asciugato, senza richiedere l'integrazione di una molla esterna. Nei test iniziali, i muscoli a base di filato a singola elica hanno mostrato un'attivazione reversibile e sensibile all'umidità, nonché un'elevata prestazione di attivazione dell'umidità con una dissipazione di energia inferiore.
Sorprendentemente, anche il processo di fabbricazione impiegato da Sun e dai suoi colleghi è ecologico, poiché non richiede additivi chimici e tossici. Poiché i loro muscoli artificiali sono fatti di lana, che è intrinsecamente biodegradabile e rinnovabile, potrebbero essere utilizzati per creare tecnologie più sostenibili e tessuti intelligenti.
"Le strutture a singola elica sono generalmente considerate instabili e soggette a distorsione senza un tethering torsionale esterno, ma qui sfruttiamo l'effetto di collegamento interno dei ponti disolfuro riformati nello stato della struttura elicoidale delle lane per stabilizzare le torsioni inserite nei muscoli del filato tramite la luce UV illuminazione e autossidazione", ha detto Sun. "Tale strategia è completamente ecologica e migliora notevolmente le prestazioni di attivazione dei muscoli del filato di lana."
In futuro, il recente lavoro di questo team di ricercatori potrebbe ispirare lo sviluppo di nuovi attuatori a base di filati e muscoli artificiali per robot che possono essere prodotti in modo sostenibile, a costi ragionevoli e su larga scala. Inoltre, il filato di lana a elica singola che hanno prodotto potrebbe essere utilizzato per creare tessuti confortevoli, traspiranti, non tossici e delicati sulla pelle per abbigliamento intelligente, attrezzatura da campeggio intelligente e altri prodotti tessili intelligenti.
"Nella fase successiva della nostra ricerca, esploreremo il percorso verso la fabbricazione industriale dei nostri muscoli artificiali, per realizzare la loro produzione in serie e promuovere l'innovazione tecnologica verso l'applicazione commerciale dei muscoli del filato nei tessuti intelligenti", ha aggiunto Sun. "Immaginando una camicia, il filato può adattarsi a diverse condizioni atmosferiche cambiando le prese d'aria sul tessuto in modo intelligente, sarebbe affascinante. Speriamo che questo tipo di vestiti diventi disponibile nella nostra vita quotidiana a basso costo". + Esplora ulteriormente
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