I muscoli artificiali hanno ottenuto guadagni significativi quando una torsione letterale nell'approccio allo sviluppo ha scoperto le capacità di trazione o elasticità delle fibre polimeriche una volta che sono state attorcigliate e arrotolate in una geometria simile a una molla. In modo simile ai potenti viticci rampicanti delle piante di cetriolo, la geometria unica conferisce alla bobina un movimento di flessione quando il materiale in fibra si restringe, una reazione che può essere controllata con il calore. Ora, i ricercatori hanno ulteriormente migliorato queste proprietà di trazione concentrandosi sulle proprietà termiche della fibra polimerica e sulla struttura molecolare che sfrutta al meglio la configurazione chirale.

Nell'articolo di copertina apparso questa settimana in Lettere di fisica applicata , Guoqiang Li e il suo team del Dipartimento di ingegneria meccanica e industriale della Louisiana State University discutono di come hanno sviluppato una nuova fibra che offre una corsa di trazione più elevata e viene attivata o attivata a temperature più basse di 100 gradi Celsius rispetto ai suoi predecessori.

"Abbiamo analizzato il principio alla base del perché la fibra polimerica, attraverso la torsione e l'avvolgimento, può comportarsi in modo così straordinario, " disse Li, spiegando la loro metodologia. Secondo Li, hanno trovato due fattori trainanti:la natura non attorcigliata della fibra durante l'attuazione e il coefficiente di espansione termica negativo (NCTE). La fibra polimerica a memoria di forma bidirezionale (2W-SMP) sviluppata da Li e dal suo team ha affrontato entrambi questi fattori.

Quando si tratta dello snodo che spinge questa architettura chirale su chirale a flettersi e contrarsi, Il gruppo di Li si è concentrato su questo problema a livello molecolare. Le risposte reversibili del polimero 2W-SMP che li rendono ideali provengono da una rete molecolare stabile di legami incrociati chimici. La rete prevede catene di molecole orientate nel polimero la cui fusione e ricristallizzazione dà origine alle importanti caratteristiche di memoria della fibra.

La transizione reversibile fuso/cristallizzazione ha anche fornito migliori proprietà di espansione termica rispetto alle fibre standard, dove l'attuazione deriva dalla contrazione intrinseca dei componenti polimerici in presenza di calore (e rilassamento quando il calore viene rimosso). La fibra 2W-SMP dimostra espansione/contrazione termica di un ordine di grandezza superiore all'NCTE dei suoi predecessori.

Affrontando queste due caratteristiche, le fibre Li prodotte e testate nelle loro configurazioni muscolari ritorte e poi arrotolate hanno mostrato una maggiore attuazione a trazione, ma hanno anche abbassato la temperatura necessaria per attivare queste fibre muscolari artificiali.

"La temperatura di attuazione è molto alta nelle fibre polimeriche utilizzate in precedenza, ad esempio possono arrivare a 160 gradi C, " ha detto Li. "Per alcune applicazioni, come i dispositivi medici, [la] temperatura di attivazione è troppo alta. Quindi devi trovare un modo per abbassarlo." Questo è esattamente ciò che ha fatto il gruppo, riportando temperature massime di intervento di 67 C.

La bassa temperatura è significativa se si considerano una serie di applicazioni relative alla temperatura del corpo umano oltre ai semplici dispositivi medici, compresi tessuti traspiranti e materiali autorigeneranti le cui strutture si adattano ai cambiamenti ambientali.

Li e il suo team devono ancora affrontare sfide con le prestazioni del lavoro specifico della fibra e l'efficienza nella conversione dell'energia termica in attuazione, e cercare di affrontare questi problemi nel lavoro futuro. Un potenziale approccio potrebbe essere quello di incorporare rinforzi conduttivi nel materiale con nanotubi di carbonio.

"Il nostro polimero è molto morbido. Quindi aggiungendo un po' di rinforzo, come i nanotubi di carbonio, avremmo due vantaggi, " disse Li. "Il primo ne fa un direttore d'orchestra, ciò significa che possiamo anche usare l'elettricità e farla attivare il comportamento muscolare. L'altro è che il nanotubo di carbonio aumenterà la rigidità." Maggiore rigidità significa migliore accumulo di energia per la fibra, che a sua volta aumenta l'efficienza di conversione energetica.