Innovazione nei Muscoli Artificiali: la Nuova Tecnologia SRAM
Negli ultimi 15 anni, i ricercatori dell’Università del Texas a Dallas e i loro colleghi internazionali hanno inventato diversi tipi di muscoli artificiali forti e potenti utilizzando materiali che vanno dai nanotubi di carbonio ad alta tecnologia (CNT) alle normali lenze da pesca.
In un nuovo studio pubblicato il 12 luglio sulla rivista Science, i ricercatori descrivono il loro ultimo progresso chiamato muscoli artificiali a guaina o sheath-run artificial muscles (SRAM).
Dai Filati Attorcigliati alla Guaina Esterna
I precedenti muscoli del gruppo di ricerca sono stati realizzati torcendo il filato CNT, un polimero usato nella pesca o il filo da cucito di nylon. Torcendo queste fibre al punto che si avvolgono, i ricercatori hanno prodotto muscoli che si contraggono, o si attivano, lungo la loro lunghezza quando riscaldati e ritornano alla loro lunghezza iniziale una volta raffreddati.
Per formare i nuovi muscoli, il team di ricerca ha applicato un rivestimento polimerico ai filati CNT intrecciati, nonché a fili di nylon, seta e bambù poco costosi, creando una guaina attorno al nucleo del filato.
“Nei nostri nuovi muscoli, è la guaina attorno a un filo arrotolato o attorcigliato che guida l’azionamento e fornisce energia e porta a un ciclo di lavoro molto più elevato rispetto ai muscoli precedenti“, ha detto il dott. Ray Baughman, autore dello studio, Robert A. Welch Illustre Chair in Chemistry e direttore del Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute di UT Dallas.
La Fase Chiave della Realizzazione
Nei loro esperimenti, un passo fondamentale per rendere i muscoli completi era quello di torcere i fili appena rivestiti fino a quando non si arrotolavano, mentre il materiale della guaina era ancora bagnato.
“Se si inserisce la torsione o l’avvolgimento dopo che la guaina si è asciugata, la guaina si spezzerà”, ha detto Baughman. “Anche l’ottimizzazione dello spessore della guaina è molto importante: se è troppo spessa, il filo attorcigliato nell’anima non sarà in grado di srotolarsi perché la guaina lo tiene in posizione, se è troppo sottile, il distacco del il filo causerà la rottura della guaina “.
Efficienza Energetica e Prestazioni Potenziate
Il Dr. Jiuke Mu, autore principale dello studio e ricercatore scientifico presso il NanoTech Institute, ha sviluppato il concetto del muscolo artificiale a guaina. Nella configurazione a guaina, la guaina esterna assorbe energia e guida l’azionamento del muscolo.
“Nei nostri precedenti muscoli attorcigliati, abbiamo applicato energia termica all’intero muscolo, ma solo la parte esterna e contorta della fibra stava facendo il vero lavoro meccanico – la parte centrale stava facendo poco“, ha detto Mu.
“Usando la guaina, l’energia in ingresso può essere convertita nell’energia meccanica del muscolo in modo più rapido ed efficiente.”
“Perché consumare energia riscaldando l’intero filato, quando tutto ciò che serve è riscaldare la parte esterna del filato perché si attivi?” Mu ha detto. “Con i nostri nuovi muscoli, dobbiamo solo mettere energia nella guaina.”
Materiali Versatili e Prestazioni Superiori
Baughman ha detto che molti materiali potrebbero essere usati per la guaina, purché abbiano resistenza e possano subire cambiamenti dimensionali in varie variabili ambientali, come cambiamenti di temperatura o umidità.
Quando azionato elettrochimicamente, un muscolo costituito da una guaina CNT e un nucleo di nylon generava una potenza contrattile media che è 40 volte quella del muscolo umano e 9 volte quella del muscolo elettrochimico alternativo più potente.
“Nel nostro lavoro precedente, abbiamo dimostrato che i filati realizzati con nanotubi di carbonio producono meravigliosi muscoli artificiali, che sono leggeri, ma sono più forti e più potenti dei muscoli umani della stessa lunghezza e peso“, ha affermato Baughman.
“Ma il filato di nanotubi di carbonio è molto costoso, quindi in questo nuovo lavoro andremo in una direzione diversa“, ha affermato. “Abbiamo scoperto che mentre possiamo utilizzare i nanotubi di carbonio come materiale di base per i muscoli artificiali a guaina, non è necessario. Abbiamo dimostrato che i filati CNT possono essere sostituiti da filati economici disponibili in commercio“.
Applicazioni e Prospettive Future
Ha aggiunto che il processo di rivestimento polimerico potrebbe essere facilmente ridimensionato per la produzione commerciale.
“Poiché la tecnologia SRAM consente la sostituzione di filati CNT con filati più economici. Questi muscoli sono molto attraenti per strutture intelligenti, come la robotica e l’abbigliamento che adatta al comfort“, ha affermato Baughman.
Per dimostrare le possibili applicazioni del consumatore di muscoli artificiali a guaina, i ricercatori hanno lavorato con le SRAM in un tessuto che aumentava la porosità quando esposto all’umidità.
Hanno anche dimostrato una SRAM fatta da filo di nylon rivestito di polimero che si contrae linearmente quando esposto ad aumentare la concentrazione di glucosio. Questo muscolo potrebbe essere usato per spremere una busta per rilasciare farmaci per contrastare l’iperglicemia.
Gli inventori hanno richiesto un brevetto statunitense provvisorio sulla tecnologia.
Fonti di finanziamento
La ricerca è stata finanziata da diverse fonti: Ufficio di ricerca scientifica dell’Air Force, Office of Naval Research, National Science Foundation, Robert A. Welch Foundation, Australian Research Council, National Research Foundation della Corea e la Science and Technology Commission della Municipalità di Shanghai.
Riferimenti:
Jiuke Mu, Mônica Jung De Andrade, Shaoli Fang, Xuemin Wang.
Enlai Gao, Na Li, Shi Hyeong Kim, Hongzhi Wang, Chengyi Hou. Qinghong Zhang, Meifang Zhu, Dong Qian, Hongbing Lu, Dharshika Kongahage. Sepehr Talebian, Javad Foroughi, Geoffrey Spinks, Hyun Kim, Taylor H. Ware, Hyeon Jun Sim, Dong Yeop Lee. Yongwoo Jang, Seon Jeong Kim, Ray H. Baughman. Sheath-run artificial muscles. Science, 2019 DOI: 1126/science.aaw2403
