Funcionalidades completas de HAFMS-TSA. (A) Coeficiente de cambio previsto en el volumen de la cavidad HAFMS-TSA en función de θ. (B) Fotografías que muestran el bombeo de fluidos impulsado por la explotación del cambio de volumen de la cavidad HAFMS-TSA después de la irradiación de luz. (C) La tensión de compresión es impulsada por el movimiento de torsión del HAFMS-TSA y provoca el pandeo por torsión del tubo flexible, lo que provoca su colapso y obliga a la mayor parte del fluido a salir del tubo comprimido. (D) Alta fracción de eyección lograda por el movimiento de compresión inducido por el movimiento de torsión del HAFMS-TSA. (E) El HAFMS-TSA se ajusta a la tubería serpenteante para desenroscar el perno con un movimiento rotatorio fotocontrolado. Préstamo: Progreso de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh3350
Ingenieros de la Universidad de Westlake en China han creado un tubo sintético hecho de elastómeros de cristal líquido con un rango de movimiento único. En su artículo “Fibras musculares artificiales espirales bioinspiradas con estructura tubular de actuadores blandos”, publicado en Progreso de la cienciaun equipo de ingenieros revela una técnica de fabricación única utilizada para crear una estructura tubular extremadamente versátil.
La creación de actuadores blandos tubulares con transformaciones de forma controladas y programables tiene una gran demanda para aplicaciones científicas y de ingeniería. Los actuadores tubulares sintéticos actuales que utilizan materiales activos blandos tienen deformaciones de contracción y expansión limitadas y grados de libertad severamente limitados, lo que dificulta su uso potencial.
Los investigadores están utilizando elastómeros de cristal líquido (LCE), un tipo de material activo inteligente, para desarrollar actuadores blandos tubulares. Los LCE pueden sufrir deformaciones reversibles a gran escala y pueden codificarse con “instrucciones de transformación”. Esto permite la creación de dispositivos de transformación pequeños, programables y compactos con un amplio potencial para aplicaciones de ingeniería.
En busca de inspiración, los científicos estudiaron el actuador blando tubular más impresionante de la naturaleza, la trompa del elefante. Sin huesos ni articulaciones, la larga trompa de un elefante aún puede realizar una amplia gama de tareas complejas, desde respirar y tocar la bocina hasta beber y ducharse, agarrar, levantar y manipular objetos, y moverse con una facilidad sin igual.
Las fibras musculares de la trompa del elefante tienen varias capas, son direccionales y se envuelven alrededor del eje largo de la trompa, formando una estructura tubular. La asignación de alineaciones específicas permite que el vástago asuma varios modos de transformación, incluidos modos de deformación única, como acortamiento, alargamiento, flexión y torsión, pero también modos de transformación complejos que combinan dos o más deformaciones.
Basándose en la musculatura del tronco, los científicos desarrollaron una plataforma de producción de bobinado de fibra para construir actuadores blandos tubulares con estructura en espiral y músculos fibrosos artificiales (HAFMS-TSA). Con estos sistemas de dirección pudieron reproducir el concepto natural y lograr deformaciones programables en el HAFMS-TSA. Los investigadores también descubrieron ángulos de bobinado críticos que permiten el desacoplamiento y el acoplamiento de diferentes tipos de deformación, ampliando aún más la gama de comportamientos de transformación alcanzables.
Luego, los investigadores utilizaron HAFMS-TSA para crear una planta artificial capaz de mostrar las tres categorías de movimientos fotorreactivos observados en plantas reales: movimientos fototrópicos (orientados hacia la luz), movimientos fotofóbicos (orientados en dirección opuesta a la luz) y movimientos fotonásticos (transformación y orientación bajo luz). la influencia de la irradiación de luz, independientemente de la dirección de la luz).
Basándose en observaciones en la naturaleza, la planta artificial fue diseñada con órganos, tallos, ramas y hojas sensibles a la luz con reacciones específicas a la luz. El tallo inferior permaneció fotofóbico, manteniendo el soporte para las estructuras fototrópicas superiores que se inclinaban hacia la luz. Cuando la intensidad de la luz supera un cierto umbral, las ramas y las hojas se alejan de la luz a través de un circuito de retroalimentación integrado que proporciona un mecanismo de autodefensa eficaz.
Las estructuras tubulares cambiantes adaptables y autónomas que responden a diferentes entornos de radiación pueden encontrar aplicaciones en la recolección de energía solar, velas solares para estaciones espaciales, sondas o satélites, dispositivos ópticos autorreguladores, edificios termorreguladores o como una planta de interior que nunca necesita riego y puede dar cacahuetes de vez en cuando.
Más información:
Zhiming Hu et al., Actuadores blandos de estructura de músculo tubular fibroso artificial espiral bioinspirado, Progreso de la ciencia (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adh3350
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