Nuovi muscoli artificiali realizzati con filati nanotecnologici e infusi con cera di paraffina possono sollevare più di 100, 000 volte il proprio peso e generano 85 volte più potenza meccanica durante la contrazione rispetto allo stesso muscolo naturale delle stesse dimensioni, secondo gli scienziati dell'Università del Texas a Dallas e il loro team internazionale dall'Australia, Cina, Corea del Sud, Canada e Brasile.

I muscoli artificiali sono filati costruiti da nanotubi di carbonio, che sono senza soluzione di continuità, cilindri cavi realizzati con lo stesso tipo di strati di grafite che si trovano nel nucleo delle normali matite. I singoli nanotubi possono essere 10, 000 volte più piccolo del diametro di un capello umano, ancora, Libra per libra, può essere 100 volte più resistente dell'acciaio.

"I muscoli artificiali che abbiamo sviluppato possono fornire grandi, contrazioni ultraveloci per sollevare pesi 200 volte più pesanti del possibile per un muscolo naturale della stessa dimensione, " ha detto il dottor Ray Baughman [pronunciato BAK-man], guida del gruppo, Robert A. Welch Professore di chimica e direttore dell'Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute a UT Dallas. "Mentre siamo entusiasti delle possibilità di applicazioni a breve termine, questi muscoli artificiali sono attualmente inadatti per sostituire direttamente i muscoli del corpo umano".

Descritto in uno studio pubblicato oggi online sulla rivista Scienza , i nuovi muscoli artificiali sono realizzati infiltrandosi in un "ospite" che cambia volume, "come la paraffina usata per le candele, in filato ritorto di nanotubi di carbonio. Riscaldando il filo riempito di cera, o elettricamente o usando un lampo di luce, fa espandere la cera, il volume del filato da aumentare, e la lunghezza del filato a contrarsi.

La combinazione dell'aumento del volume del filato con la diminuzione della lunghezza del filato risulta dalla struttura elicoidale prodotta dalla torsione del filato. Un giocattolo per il polsino del dito di un bambino, che è progettato per intrappolare le dita di una persona in entrambe le estremità di un cilindro elicoidale, ha un'azione analoga. Scappare, bisogna unire le dita, che contrae la lunghezza del tubo e ne espande il volume e il diametro.

"Grazie alla loro semplicità e alle elevate prestazioni, questi muscoli del filato potrebbero essere utilizzati per applicazioni così diverse come robot, cateteri per chirurgia mininvasiva, micromotori, miscelatori per circuiti microfluidici, sistemi ottici sintonizzabili, microvalvole, posizionatori e persino giocattoli, " ha detto Baughman.

La contrazione muscolare, chiamata anche attivazione, può essere ultrarapida, avviene in 25 millesimi di secondo. Compresi i tempi sia per l'attivazione che per l'inversione dell'attuazione, i ricercatori hanno dimostrato una densità di potenza contrattile di 4,2 kW/kg, che è quattro volte il rapporto peso-potenza dei comuni motori a combustione interna.

Per ottenere questi risultati, i muscoli di nanotubi di carbonio pieni di ospiti erano altamente attorcigliati per produrre avvolgimento, come con l'avvolgimento visto di un elastico di un aeroplano modello a elastico.

Quando è libero di ruotare, un filato riempito di cera si districa mentre viene riscaldato elettricamente o da un impulso di luce. Questa rotazione si inverte quando il riscaldamento viene interrotto e il filo si raffredda. Tale azione torsionale del filo può far ruotare una paletta attaccata ad una velocità media di 11, 500 giri al minuto per oltre 2 milioni di cicli reversibili. libbra per libbra, la coppia generata è leggermente superiore a quella ottenuta per i grandi motori elettrici, ha detto Baughman.

Poiché i muscoli del filato possono essere attorcigliati insieme e possono essere tessuti, cucito, intrecciato e annodato, potrebbero eventualmente essere impiegati in una varietà di materiali e tessuti intelligenti autoalimentati. Per esempio, le variazioni della temperatura ambientale o la presenza di agenti chimici possono modificare il volume dell'ospite; tale attivazione potrebbe modificare la porosità del tessuto per fornire comfort termico o protezione chimica. Tali muscoli del filato potrebbero anche essere utilizzati per regolare una valvola di flusso in risposta a sostanze chimiche rilevate, o regolare l'apertura della tenda della finestra in risposta alla temperatura ambiente.

Anche senza l'aggiunta di un materiale ospite, i coautori hanno scoperto che l'introduzione dell'avvolgimento nel filato di nanotubi aumenta di dieci volte il coefficiente di espansione termica del filato. Questo coefficiente di dilatazione termica è negativo, il che significa che il filo non caricato si contrae quando viene riscaldato. Riscaldare il filato in atmosfera inerte da temperatura ambiente a circa 2, 500 gradi Celsius hanno fornito una contrazione superiore al 7% durante il sollevamento di carichi pesanti, indicando che questi muscoli possono essere dispiegati a temperature di 1000 C al di sopra del punto di fusione dell'acciaio, dove nessun altro attuatore ad alta capacità di lavoro può sopravvivere.

"Questa espansione termica notevolmente amplificata per i fili arrotolati indica che possono essere utilizzati come materiali intelligenti per la regolazione della temperatura tra 50 C sotto zero e 2, 500°C, " ha detto il dottor Márcio Lima, un ricercatore associato presso il NanoTech Institute di UT Dallas che è stato co-autore principale di Scienza paper con la studentessa Na Li della Nankai University e il NanoTech Institute.

"Le notevoli prestazioni del nostro muscolo del filato e la nostra attuale capacità di fabbricare filati lunghi un chilometro suggeriscono la fattibilità della commercializzazione anticipata come piccoli attuatori comprendenti una lunghezza del filato su scala centimetrica, " Baughman ha detto. "La sfida più difficile è trasformare i nostri attuatori a filo singolo in attuatori di grandi dimensioni in cui centinaia o migliaia di singoli muscoli del filato operano in parallelo".