Da più di 15 anni, ricercatori dell'Università del Texas a Dallas e i loro collaboratori negli Stati Uniti, Australia, La Corea del Sud e la Cina hanno fabbricato muscoli artificiali torcendo e avvolgendo nanotubi di carbonio o filati polimerici. Quando alimentato termicamente, questi muscoli si attivano contraendo la loro lunghezza quando vengono riscaldati e ritornando alla loro lunghezza iniziale quando vengono raffreddati. Tali muscoli artificiali guidati termicamente, però, avere limitazioni.

I muscoli di nanotubi di carbonio (CNT) azionati elettrochimicamente forniscono un approccio alternativo per soddisfare la crescente esigenza di potente, muscoli artificiali a corsa ampia per applicazioni che vanno dalla robotica e pompe cardiache all'abbigliamento morphing.

"I muscoli guidati elettrochimicamente sono particolarmente promettenti, poiché le loro efficienze di conversione dell'energia non sono limitate dal limite del motore termico termodinamico dei muscoli termici, e possono mantenere grandi corse contrattili mentre supportano carichi pesanti senza consumare energia significativa, " ha detto il dottor Ray Baughman, la Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry e direttore dell'Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute a UT Dallas. "In contrasto, i muscoli umani e i muscoli alimentati termicamente hanno bisogno di una grande quantità di energia in ingresso per supportare carichi pesanti anche quando non si eseguono lavori meccanici".

In uno studio pubblicato online il 28 gennaio sulla rivista Scienza , i ricercatori descrivono la creazione di potenti, muscoli del filato elettrochimico unipolare che si contraggono di più quando guidati più velocemente, risolvendo così importanti problemi che hanno limitato le applicazioni di questi muscoli.

I muscoli del filato CNT alimentati elettrochimicamente vengono attivati ​​applicando una tensione tra il muscolo e un controelettrodo, che spinge gli ioni da un elettrolita circostante nel muscolo.

Ma ci sono limitazioni ai muscoli CNT elettrochimici. Primo, l'attivazione muscolare è bipolare, il che significa che il movimento muscolare - espansione o contrazione - cambia direzione durante una potenziale scansione. Il potenziale a cui la corsa cambia direzione è il potenziale di carica zero, e la velocità con cui il potenziale cambia nel tempo è la potenziale velocità di scansione.

Un altro problema:un dato elettrolita è stabile solo su un particolare intervallo di tensioni. Al di fuori di questo intervallo, l'elettrolita si rompe.

"I precedenti muscoli del filato non possono utilizzare l'intera gamma di stabilità dell'elettrolita, " disse Baughman, un corrispondente autore dello studio. "Anche, la capacità del muscolo, la sua capacità di immagazzinare la carica necessaria per l'attivazione, diminuisce con l'aumentare della potenziale velocità di scansione, facendo diminuire drasticamente la corsa del muscolo con l'aumentare della velocità di attuazione".

Per risolvere questi problemi, i ricercatori hanno scoperto che le superfici interne dei filati di nanotubi di carbonio arrotolati potrebbero essere rivestite con un polimero a conduzione ionica adatto che contiene gruppi chimici caricati positivamente o negativamente.

"Questo rivestimento polimerico converte la normale attuazione bipolare dei filati di nanotubi di carbonio in attuazione unipolare, dove il muscolo agisce in una direzione sull'intero intervallo di stabilità dell'elettrolita, " Ha detto Baughman. "Questo comportamento a lungo cercato ha conseguenze sorprendenti che rendono i muscoli dei nanotubi di carbonio elettrochimici molto più veloci e potenti".

Studente di dottorato in chimica Zhong Wang, co-primo autore dello studio, ha spiegato la scienza sottostante:"Il campo dipolare del polimero sposta il potenziale di carica zero, che è dove la carica elettronica sui nanotubi cambia di segno, al di fuori dell'intervallo di stabilità dell'elettrolita. Quindi, ioni di un solo segno vengono iniettati elettrochimicamente per compensare questa carica elettronica, e la corsa del muscolo cambia in una direzione su tutto questo intervallo di scansione potenziale utilizzabile".

Dottor Jiuke Mu, professore associato di ricerca presso l'UT Dallas NanoTech Institute e co-primo autore, detto che il rivestimento polimerico aiuta a risolvere il problema della capacità dei muscoli del filato elettrochimico.

"Il numero di molecole di solvente pompate nel muscolo da ogni ione aumenta con l'aumentare della potenziale velocità di scansione per alcuni muscoli unipolari, che aumenta la dimensione effettiva dello ione che guida l'attuazione, " Mu ha detto. "Così, l'ictus muscolare può aumentare di un fattore 3,8 con l'aumento della frequenza di scansione potenziale, mentre la corsa dei muscoli del filato di nanotubi di carbonio senza il rivestimento polimerico diminuisce di un fattore di 4,2 per gli stessi cambiamenti nella potenziale velocità di scansione".

I progressi forniscono muscoli unipolari elettrochimici che si contraggono per generare una potenza meccanica di uscita media massima per peso muscolare di 2,9 watt/grammo, che è circa 10 volte la capacità tipica del muscolo umano e circa 2,2 volte la capacità di potenza normalizzata in base al peso di un motore diesel V-8 turbo.

Il rivestimento polimerico utilizzato per produrre questi risultati era poli(sodio 4-stirenesolfonato), che è approvato per l'uso di droghe e abbastanza economico per l'uso nell'addolcimento dell'acqua. L'incorporazione di questo ospite polimerico ha consentito il funzionamento pratico di un muscolo di nanotubi di carbonio da temperature elevate a meno di 30 gradi Celsius.

Wang ha detto che il team ha anche scoperto che il comportamento unipolare, senza tratti potenziati con velocità di scansione, potrebbe essere ottenuto quando le nanopiastrine di ossido di grafene sono state incorporate all'interno del muscolo del filato utilizzando un processo di biscrolling che i ricercatori di UT Dallas hanno creato e brevettato.

"L'uso di questo ospite per fornire i campi dipolari necessari per il comportamento unipolare ha aumentato la potenza meccanica contrattile media massima erogata dal muscolo a un notevole 8,2 watt/grammo, che è 29 volte la capacità massima di un muscolo umano dello stesso peso e circa 6,2 volte quella di un motore diesel V-8 turbocompresso, "Ha detto Wang.

"Abbiamo anche scoperto che due diversi tipi di muscoli del filato unipolare, ciascuno con tratti con velocità di scansione migliorata, possono essere combinati per creare un doppio elettrodo, muscolo del filato a stato solido, eliminando così la necessità di un bagno di elettrolita liquido, " Wang ha detto. "Un elettrolita a stato solido viene utilizzato per interconnettere lateralmente due filati di nanotubi di carbonio arrotolati che contengono diversi ospiti polimerici, uno avente sostituenti con carica negativa e l'altro avente sostituenti con carica positiva. Entrambi i fili si contraggono durante il caricamento per contribuire ulteriormente all'attuazione, a causa dell'iniezione di ioni positivi e negativi, rispettivamente. Questi muscoli unipolari a doppio elettrodo sono stati tessuti per realizzare tessuti di azionamento che potrebbero essere utilizzati per trasformare gli indumenti".