Immagini a contrasto di interferenza differenziale (DIC) di fibre cristallizzate di deformazione che sono 1X-5X la lunghezza iniziale idratata. L'immagine indica che l'allineamento delle fibre aumenta lungo l'asse della fibra all'aumentare del rapporto di allungamento. Credito:Penn State
Ispirandosi alla struttura dei muscoli, una nuova strategia innovativa per la creazione di attuatori in fibra potrebbe portare a progressi nella robotica, nelle protesi e nell'abbigliamento intelligente, secondo un team di scienziati guidato dalla Penn State che ha scoperto il processo.
"Gli attuatori sono qualsiasi materiale che cambierà o si deformerà sotto qualsiasi stimolo esterno, come parti di una macchina che si contraggono, si piegano o si espandono", ha affermato Robert Hickey, assistente professore di scienza dei materiali e ingegneria alla Penn State. "E per tecnologie come la robotica, dobbiamo sviluppare versioni morbide e leggere di questi materiali che possono fondamentalmente agire come muscoli artificiali. Il nostro lavoro consiste davvero nel trovare un nuovo modo per farlo."
Il team ha sviluppato un processo in due fasi per realizzare attuatori in fibra che imitano la struttura delle fibre muscolari e che eccellono in diversi aspetti rispetto ad altri attuatori attuali, tra cui l'efficienza, lo sforzo di attuazione e le proprietà meccaniche. Hanno riportato le loro scoperte oggi (2 giugno) sulla rivista Nature Nanotechnology .
"Questo è un campo grande e ci sono molte ricerche interessanti là fuori, ma è stato davvero concentrato sui materiali di ingegneria per ottimizzare le proprietà", ha detto Hickey. "Ciò che rende entusiasmante il nostro lavoro è che ci concentriamo davvero sulla connessione tra chimica, struttura e proprietà."
Hickey in precedenza aveva guidato un team che produceva materiali idrogel nanostrutturati autoassemblanti. Gli idrogel sono reti di polimeri che possono gonfiarsi e trattenere grandi quantità di acqua mantenendone la struttura.
Nella nuova ricerca, gli scienziati hanno scoperto che le fibre fatte di questo materiale idrogel possono allungarsi diverse volte la loro lunghezza originale quando idratate e indurirsi e bloccare la forma allungata quando essiccate allo stato esteso. L'aggiunta di acqua o calore consente al materiale di tornare alle sue dimensioni originali, rendendolo promettente per l'uso come attuatore, hanno affermato gli scienziati.
"Abbiamo iniziato a riconoscere che queste fibre si stavano contraendo e mostravano alcune proprietà davvero affascinanti", ha detto Hickey. "Quando abbiamo iniziato a caratterizzare la struttura, ci siamo resi conto che c'erano alcune cose fondamentalmente interessanti in corso qui. E abbiamo iniziato a riconoscere che, in molti modi, la struttura di questi muscoli naturali imitava o rispecchiava."
I materiali sono costituiti da strutture su scala nanometrica altamente allineate con domini cristallini e amorfi alternati, che ricordano il modello ordinato e striato del muscolo scheletrico dei mammiferi, hanno affermato gli scienziati.
Le eccezionali proprietà di allungamento degli idrogel sono il risultato della combinazione di domini amorfi rigidi su scala nanometrica e pori di scala micrometrica riempiti d'acqua. Quando gli idrogel sono allungati, scattano indietro come un elastico. Se le fibre allungate vengono essiccate allo stato esteso, la rete polimerica si cristallizzerà, bloccandosi nella forma allungata delle fibre.
"Pensiamo che uno dei motivi fondamentali per cui abbiamo queste proprietà eccezionali sia che le fibre sono organizzate in modo molto preciso su scala nanometrica, in modo simile al sarcomero di un muscolo umano", ha detto Hickey. "Quello che sta succedendo è che hai una contrazione uniforme. Questi domini amorfi sono tutti organizzati esattamente lungo la fibra, e ciò significa che si contraggono in un'unica direzione, il che dà origine a questa capacità di tornare allo stato originale."
L'applicazione di acqua o calore ai materiali allungati scioglie i cristalli e consente al materiale di tornare alla sua forma originale. Quando viene allungato a cinque volte la sua lunghezza originale, il materiale può tornare entro l'80% delle sue dimensioni e può farlo per molti cicli senza calo delle prestazioni, hanno affermato gli scienziati.
"Il fatto che possiamo utilizzare due stimoli diversi, calore e acqua, per attivare l'attivazione apre il doppio delle possibilità per i materiali realizzati con questo metodo", ha affermato Hickey. "La maggior parte degli attuatori viene attivata da un singolo stimolo. I doppi stimoli aprono la versatilità dei nostri materiali". + Esplora ulteriormente
