Desarrollo de actuadores de material suave impreso en 3D que pueden imitar músculos reales

Los investigadores de Empa están trabajando en la producción de músculos artificiales que pueden mantenerse al día con lo real. Ahora han desarrollado un método para producir las estructuras suaves y elásticas pero potentes utilizando impresión 3D.

Un día, estos podrían usarse en medicina o robótica, y en cualquier otro lugar donde las cosas necesiten moverse con solo tocar un botón. El trabajo es publicado en el diario Tecnologías de materiales avanzados.

Los músculos artificiales no solo hacen que los robots se muevan: un día, podrían apoyar a las personas en el trabajo o al caminar, o reemplazar el tejido muscular lesionado. Sin embargo, desarrollar músculos artificiales que puedan compararse con lo real es un desafío técnico importante.

Para mantenerse al día con sus contrapartes biológicas, los músculos artificiales no solo deben ser poderosos, sino también elásticos y suaves. En su núcleo, los músculos artificiales son los llamados actuadores: componentes que se convierten impulsos eléctricos en movimiento. Los actuadores se utilizan donde sea que algo se mueva al presionar un botón, ya sea en casa, en un motor de automóvil o en plantas industriales altamente desarrolladas. Sin embargo, estos componentes mecánicos duros aún no tienen mucho en común con los músculos.

Conciliación de contradicciones

Un equipo de investigadores del laboratorio de Empa para polímeros funcionales está trabajando en actuadores hechos de materiales blandos. Ahora, por primera vez, han desarrollado un método para producir componentes tan complejos utilizando una impresora 3D.

Los actuadores elásticos dieléctricos (DEA) consisten en dos materiales diferentes a base de silicona: un material de electrodo conductivo y un dieléctrico no conductor. Estos materiales se entrelazan en capas. “Es un poco como entrelazar tus dedos”, explica el investigador de Empa Patrick Danner. Si se aplica un voltaje eléctrico a los electrodos, el actuador se contrae como un músculo. Cuando se apaga el voltaje, se relaja en su posición original.

La impresión 3D de este tipo no es trivial, Danner lo sabe. A pesar de sus diferentes propiedades eléctricas, los dos materiales blandos deberían comportarse de manera muy similar durante el proceso de impresión. No deben mezclarse, pero aún deben mantenerse unidos en el actuador terminado.

Los “músculos” impresos deben ser lo más suaves posible para que un estímulo eléctrico pueda causar la deformación requerida. A esto se agregan los requisitos que todos los materiales imprimibles en 3D deben cumplir: deben licuar bajo presión para que puedan ser extruidos de la boquilla de la impresora. Inmediatamente después, sin embargo, deben ser lo suficientemente viscosos como para retener la forma impresa.

“Estas propiedades a menudo están en contradicción directa”, dice Danner. “Si optimiza uno de ellos, otros tres cambian … generalmente para peor”.

Desde un guante de VR hasta un corazón latido

En colaboración con investigadores de ETH Zurich, Danner y Dorina Opris, quienes lidera el grupo de investigación Materiales poliméricos funcionales, han logrado conciliar muchas de estas propiedades contradictorias. Dos tintas especiales, desarrolladas en EMPA, se imprimen en actuadores suaves en funcionamiento utilizando una boquilla desarrollada por los investigadores de ETH Tazio Pleij y Jan Vermant.

La colaboración es parte de los fabricantes de proyectos a gran escala, que forma parte de la fabricación avanzada del área estratégica del dominio ETH. El objetivo del proyecto es desarrollar un guante que haga que los mundos virtuales sean tangibles. El músculos artificiales están diseñados para simular el agarre de objetos a través de la resistencia.

Sin embargo, hay muchas más aplicaciones potenciales para actuadores blandos. Son ligeros, silenciosos y, gracias al nuevo proceso de impresión 3D, se pueden moldear según sea necesario. Podrían reemplazar a los actuadores convencionales en automóviles, maquinaria y robótica. Si se desarrollan aún más, también podrían usarse para aplicaciones médicas.

Opris y Danner ya están trabajando en ello. Su nuevo proceso puede usarse para imprimir no solo formas complejas, sino también fibras elásticas largas. “Si logramos hacerlos un poco más delgados, podemos acercarnos bastante a cómo funcionan las fibras musculares reales”, dice Opris. El investigador cree que en el futuro puede ser posible imprimir un corazón entero de estas fibras. Sin embargo, todavía hay mucho que hacer antes de que ese sueño se convierta en realidad.