Mușchii artificiali, care, în trecut, erau realizați folosind o serie de servomotoare complexe și valve actuatoare hidraulice și pneumatice, fac, în prezent, obiectul aliajelor cu memorie a formei și a fibrelor realizate din nanotuburi de carbon (CNT).
Mușchii CNT electrochimici sunt eficienți din punct de vedere energetic și oferă și puteri mai mari. Recent, un grup de cercetători din SUA, Australia, Coreea de Sud și China, care lucrează cu fibre CNT acoperite cu polimeri și răsucite în fire, a demonstrat modul în care acești mușchi pot fi mai rapizi, mai puternici și mai eficienți din punct de vedere energetic.
Mușchii CNT acționați electrochimic acționează atunci când este aplicată o tensiune între fibra musculară și un contra-electrod, provocând o mișcare de ioni către și dinspre electrolitul din jur și mușchi. În general, acest lucru are ca rezultat contracția sau întinderea mușchilor, până când potențialul atinge sarcina zero, după care acesta își schimbă direcția. Cu alte cuvinte, apare o contracție. Cu toate acestea, mișcarea bipolară are ca rezultat o contracție mai redusă, scăzând eficiența mușchiului.
Echipa de cercetători a conceput o modalitate de a depăși această limitare. „Atunci când am acoperit suprafața internă a firelor cu un strat de polimeri speciali, cu grosimi de aproximativ un nanometru, am putut deplasa potențialul de încărcare zero a mușchiului în afara intervalului de stabilitate a electrolitului”, a declarat Ray Baughman, directorul Institutului NanoTech Alan G. MacDiarmid din cadrul Universității Texas din Dallas și unul dintre autorii lucrării.
Acești polimeri sunt materiale conductoare cu conductivitate ionică și grupări chimice încărcate pozitiv sau negativ. Cu alte cuvinte, aceștia pot accepta fie ioni pozitivi (cationi), fie ioni negativi (anioni). Având potențialul de încărcare zero în afara intervalului de stabilitate a electrolitului, în mușchi se poate infiltra un singur tip de ioni (fie cationi, fie anioni). Astfel, mușchiul acționează într-o direcție unipolară.
În cadrul unui laborator, cercetătorii au folosit un mușchi format din fire CNT cu un contra-electrod care nu acționa asupra acestuia, pentru a-și demonstra conceptul. Aceștia au descoperit că, folosind două tipuri diferite de fire fabricate din nanotuburi de carbon acoperite cu polimer, unul cu substituenți pozitivi iar celălalt cu substituenți negativi, ar putea crea un mușchi unipolar cu dublu electrod.
De asemenea, echipa de cercetători a reușit să dezvolte un mușchi cu fire CNT cu dublu electrod cu un electrolit solid, eliminând necesitatea unei băi lichide de electroliți. „Acești mușchi unipolari cu electrod dublu au fost țesuți pentru a produce materiale de acționare”, a declarat în cadrul unui comunicat de presă, Zhong Wang, doctorand și coautor al lucrării.
Mușchii unipolari electrochimici dezvoltați de echipa de cercetători generează o putere mecanică medie de aproximativ 10 ori mai mare decât capacitatea medie a mușchilor umani și de aproximativ 2,2 ori capacitatea normalizată în greutate a unui motor diesel V8 cu turbocompresor.
Ca atare, aceștia pot avea o gamă largă de aplicații, inclusiv în domeniul roboticii și a îmbrăcămintei adaptabile. În ceea ce privește domeniul roboticii, Baughman a declarat faptul că motoarele robotizate pot fi grele și dificil de coordonat într-un dispozitiv cu multe grade de mișcare. În schimb, mușchii artificiali ar putea alimenta exoscheletele robotizate electrice, care ar putea permite unei persoane să lucreze într-un depozit și să deplaseze, cu ușurință, obiecte grele.
O altă aplicație a acestei tehnologii este îmbrăcămintea care se poate ajusta în funcție de confort, permițând purtătorilor să schimbe porozitatea textilelor în funcție de vreme. De asemenea, implanturile medicale, precum aparatele de asistare cardiacă, ar putea utiliza mușchi artificiali compacți și ușori. „În prezent, am elaborat o propunere ce ne va permite să efectuăm studii care să implice și pacienți”, a adăugat Baughman.
Înainte ca aplicațiile din lumea reală să devină posibile, provocarea constă în producerea de fire de nanotuburi de carbon de înaltă calitate la scară largă. Baughman și echipa sa speră să adapteze mușchii CNT unipolari pentru a produce un lucru mecanic și mai mare.
