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Desarrollan músculos artificiales con fibras enrolladas

De la tinta de Arturo Barba

Arturo Barba Viernes 12 De Julio, 2019 · 07:48 am
Desarrollan músculos artificiales con fibras enrolladas
Nuevos músculos artificiales basados en fibras de polímeros retorcidos y enrollados fueron desarrollados por tres grupos diferentes de investigadores,

Nuevos músculos artificiales basados en fibras de polímeros retorcidos y enrollados fueron desarrollados por tres grupos diferentes de investigadores, según publica esta semana la revista Science. Se pueden controlar a través del calor, la electricidad o la química y entre sus aplicaciones se encuentran dispositivos médicos miniaturizados, prótesis, microrrobots y textiles “inteligentes” que responden a cambios de temperatura.

El primer trabajo, realizado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts encabezados por Mehmet Kanik, obtuvieron una fibra de polímero de dos caras que se puede crear a través de una técnica llamada “dibujo repetitivo escalable”, que produce músculos artificiales que se activan por el calor; son capaces de levantar más de 650 veces su propio peso y pueden soportar tensiones de más del 1000% manteniéndose resistente durante miles de ciclos de uso.

Las fibras de nanocables enrollados pueden utilizarse como  músculos artificiales robustos que pueden deformarse y regresar a su estado sin sufrir daño alguno. Imágenes tomadas de Science.

Los músculos artificiales pueden acelerar el desarrollo de la robótica, la tecnología táctil y las prótesis, principalmente con la fabricación de actuadores basados en polímeros de pequeña escala que pueden ser controlados con calor y ópticamente. Las fibras pueden conformar mallas de nanocables conductoras para generar  músculos artificiales robustos que pueden deformarse y regresar a su estado, sin sufrir ningún daño.

Con esta técnica los investigadores combinaron dos polímeros diferentes en una sola hebra de fibra. Cada uno tiene coeficientes de expansión térmica muy diferente, lo que hace las hace esparcirse cuando se calientan a diferente velocidad y a distinta temperatura. A medida que el material unido incrementa su temperatura, un lado se dilata más rápido, pero es retenido por el otro. Como resultado, el material se contrae y expande al ritmo del cambio de temperatura, que puede ser de tan solo un grado de diferencia.

El hallazgo de esta reacción fue sorpresivo: cuando Kanik tocó por primera vez la fibra enrollada el calor de su mano hizo que la fibra se enroscara más fuertemente. Luego de esa observación descubrió que incluso un pequeño aumento de la temperatura podría hacer que el material se tensara, produciendo una fuerza de tracción sorprendentemente firme. Posteriormente, tan pronto como la temperatura volvió a bajar, la fibra regresó a su longitud original. En las pruebas posteriores, el equipo demostró que este proceso podría repetirse 10 mil veces y la fibra aún resistía muchas más.

Los hilos pueden abarcar una amplia gama de tamaños, desde unos pocos micrómetros (millonésimas de metro) hasta unos pocos milímetros de ancho, y pueden fabricarse fácilmente en lotes de hasta cientos de metros de longitud.

Otro tipo de fibra de nanotubos de carbono, también enrollada, fue utilizada por investigadores de la Universidad de Texas para obtener un músculo artificial cuya fuerza de contracción es 40 veces mayor que la del músculo humano y nueve veces mayor que la del músculo electroquímico artificial de mayor potencia desarrollado hasta ahora.

Jiuke Mu y sus colegas utilizaron una especie de funda electrotérmica sensible de nanotubos que puede rodear otros materiales de bajo costo enrollados estrechamente, como hilos de nylon o de bambú. Esta combinación proporciona un mayor rendimiento de tracción y torsión, que también puede ser controlado con el cambio de temperatura. Estos músculos artificiales híbridos pueden realizar 29 veces el trabajo del músculo humano del mismo tamaño.

Las fibras enrolladas con materiales como nanotubos de carbono pueden contraerse y extenderse, sin sufrir daño alguno, más 10 mil veces y son ideales para la construcción de micromotores potentes, aspeto apreciado en la microrrobótica.

Imágenes tomadas de Science.

Por su parte, Jinkai Yuan y sus colegas de la Universidad de Bordeaux, Francia, desarrollaron un micromotor de alta energía compuesto por fibras de nanocompuestos con “memoria de forma”, que se retuercen para almacenar energía y que puede liberarse después de un pequeño cambio de temperatura.

Los motores rotativos tienen un diseño complejo difícil de miniaturizar, y desde hace muchos años ha sido un reto tecnológico obtener micromotores de alta velocidad y alta energía, lo suficientemente robustas. Estas nuevas fibras nanocompuestas con “memoria de torsión” pueden ser las candidatas ideales para los minúsculos mecanismos basados en rotaciones rápidas y potentes.

Las fibras de nanocompuestos combinan un alto torque con grandes ángulos de rotación que proporcionan una capacidad de trabajo gravimétrica 60 veces mayor que el músculo esquelético natural. Asimismo, la temperatura también dispara la rotación de la fibra y controla la liberación de su energía.

Estas tres innovaciones nos acercan más a la realización de una automatización generalizada en una variedad de campos que requieren el uso de músculos artificiales y micromotores como la tecnología Lab-on-Achip, los microrrobots, los textiles inteligentes, los sistemas microelectromecánicos, dispositivos médicos miniaturizados o la generación de músculos y actuadores para brazos, piernas y manos protésicas o pinzas robóticas, donde se requiere menor peso, poca energía y mucha potencia de reacción instantánea.

Descubren al fósil humano más antiguo en Europa

Un equipo de investigadores de Alemania, Australia, Grecia y Reino Unido determinó que un cráneo de aproximadamente 210 mil años de antigüedad, encontrado en el país helénico en la década de los 70, representa la evidencia más antigua de seres humanos modernos en Europa, informa la revista Nature de esta semana.

De confirmarse este hallazgo, significaría que la migración del Homo sapiens fuera de África ocurrió mucho antes de lo que se estimaba. Hasta antes de este hallazgo, los restos más antigúos del H. sapiens encontrados en Europa databan de 150 mil años.

El fósil Apidima 1, localizado en Grecia en la década de los 70, tiene una combinación de características humanas modernas como un cráneo posterior redondeado; se estima que tiene una antigüedad de 210 mil años. Imagen: Katerina Harvati, Eberhard Karls University of Tübingen/ Nature.

A fines de la década de 1970 se descubrieron dos cráneos humanos fosilizados en la cueva de Apidima, en el sur de Grecia, pero no se habían descrito en detalle sus características debido a la falta de técnicas modernas, información de contexto y dado el estado fragmentado de los restos.

El equipo de investigadores, encabezados por Katerina Harvati, utilizó nuevas técnicas de datación e imagen para realizar un análisis comparativo detallado de los dos cráneos que se identificaron como Apidima 1 –con una antigüedad de 210 mil años– y Apidima 2 –con una antigüedad de 170 mil años–. Este último muestra características similares a los neandertales, como un reborde de cejas redondeadas y gruesas, pero Apidima 1 tiene una combinación de características humanas modernas, como un cráneo posterior redondeado (parte posterior del cráneo), característica única de los Homo sapiens.

Con estos resultados los investigadores sostienen la hipótesis de que hubo múltiples dispersiones humanas desde África.

Comentarios y sugerencias: @abanav y abanav@gmail.com