I muscoli artificiali alimenteranno i robot morbidi e i dispositivi indossabili del futuro. Ma è necessario comprendere di più sui meccanismi alla base di queste potenti strutture per progettare e costruire nuovi dispositivi.

Ora, ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno scoperto alcune delle proprietà fisiche fondamentali delle fibre muscolari artificiali.

"Sottili filamenti morbidi che possono facilmente allungarsi, curva, torsione o taglio sono in grado di deformazioni estreme che portano a nodi, strutture a treccia o ad anello che possono immagazzinare o rilasciare energia facilmente, " disse L. Mahadevan, la Lola England de Valpine Professore di Matematica Applicata, di Biologia Organistica ed Evoluzionistica, e di Fisica. "Questo è stato sfruttato di recente da un certo numero di gruppi sperimentali per creare fibre muscolari artificiali prototipiche. Ma come la topologia, la geometria e la meccanica di queste sottili fibre si uniscono durante questo processo non era del tutto chiaro. Il nostro studio spiega i principi teorici alla base di queste trasformazioni di forma, e fa luce sui principi di progettazione alla base."

"Le fibre morbide sono l'unità base di un muscolo e potrebbero essere utilizzate in tutto, dalla robotica ai tessuti intelligenti in grado di rispondere a stimoli come calore o umidità, " disse Nicola Carlo, un dottorato di ricerca studente in Matematica Applicata e primo autore dell'articolo. "Le possibilità sono infinite, se riusciamo a capire il sistema. Il nostro lavoro spiega la complessa morfologia del morbido, fibre fortemente tese e attorcigliate e fornisce linee guida per i migliori design."

La ricerca è pubblicata su Lettere di revisione fisica .

Fibre morbide, o filamenti, può essere allungato, tranciato, piegato o attorcigliato. Come queste diverse azioni interagiscono per formare nodi, trecce, ed eliche è importante per la progettazione di attuatori morbidi. Immagina di allungare e torcere un elastico il più stretto possibile. Mentre la torsione diventa sempre più stretta, una parte della fascia uscirà dall'aereo e inizierà a attorcigliarsi su se stessa formando una bobina o un nodo. Queste bobine e anelli, nella forma giusta, può essere imbrigliato per azionare la fibra annodata.

I ricercatori hanno scoperto che diversi livelli di allungamento e torsione si traducono in diversi tipi di forme complesse non planari. Hanno caratterizzato quali forme portano ad anelli attorcigliati, che stringere le spire, e quale a una miscela dei due. Hanno scoperto che il prestiro è importante per la formazione di bobine, poiché queste forme sono le più stabili sotto l'allungamento, e ha modellato come tali bobine possono essere utilizzate per produrre lavoro meccanico.

"Questa ricerca ci offre un modo semplice per prevedere come i filamenti morbidi risponderanno alla torsione e all'allungamento, " disse Carlo.

"Andando avanti, il nostro lavoro potrebbe essere rilevante anche in altre situazioni che coinvolgono filamenti aggrovigliati, come nei riccioli di capelli, la dinamica dei polimeri e la dinamica delle linee del campo magnetico nel sole e in altre stelle, " disse Mahadevan.