Músculo enrollado
Resumen. Los músculos poliméricos retorcidos y enrollados (TCPM) son músculos artificiales baratos, ligeros y sencillos que se han introducido recientemente. Para la implementación de este músculo como un actuador lineal controlable, necesitamos un sistema de control de lazo abierto o cerrado. En este trabajo proponemos un nuevo actuador artificial de tracción por pasos basado en el TCPM calentado por joule (lo llamamos “TCPM de pasos”) que se utilizará como actuador recto por pasos y puede ser controlado a través de un sistema de control de lazo abierto. No hay sensores en el actuador propuesto, por lo que el actuador puede ser utilizado en un sistema de control de bucle abierto para los movimientos lineales de paso. Este actuador paso a paso consiste en una cadena de TCPMs en serie con algunos cables aislados por calentadores individuales que se enroscan alrededor de la fibra de cada TCPM. El desplazamiento máximo de cada TCPM es el doble del TCPM anterior, por lo tanto, el conjunto completo o el restablecimiento de la corriente de estos cables resultan en la contracción completa de cada TCPM y el control del desplazamiento por pasos del TCPM. Nuestro experimento muestra que podemos controlar el desplazamiento paso a paso del actuador propuesto sin ningún sensor o sistema de control de bucle cerrado (similar al motor paso a paso común pero en movimiento recto). El actuador propuesto es aplicable en un mecanismo de movimiento escalonado de bajo coste y bajo peso.
Músculo artificial magnético
El entorno de aplicación, la estabilidad del rendimiento y los problemas de coste han restringido el despliegue de músculos artificiales en robots, exoesqueletos, actuadores en miniatura para laboratorios de microfluidos y prótesis.
Los polímeros con memoria de forma (SMP) son materiales inteligentes capaces de percibir un estímulo externo y entrar en un estado transitorio según un estímulo-respuesta, para finalmente volver al estado inicial mediante un proceso de recuperación, conocido como efecto de memoria de forma.
Del mismo modo, el grafeno, que es esencialmente un CNT cortado a lo largo de su eje para que se desenrolle y quede plano, tiene carbonos de hibridación 2D sp2 y presenta una excelente conductividad eléctrica. Además, la interconexión 3D del grafeno puede obtenerse por liofilización, autogelación y deposición química de vapor. En las espumas de polímero, el grafeno no sólo aumenta la conductividad sino que también contribuye a mejorar las propiedades mecánicas [46][48][49][50]. Además, la fibra de carbono y el grafeno oxidado también muestran una alta conductividad eléctrica debido a su elevada área superficial y a la polaridad de la superficie. Utilizando este mecanismo de actuación inducido eléctricamente, Liu et al. [51] estudiaron un compuesto electroactivo con memoria de forma de un aerogel de CNT/grafeno (Figura 4a). Cuando se añadieron CNT y grafeno, en una proporción de peso de 3:5, a una resina epoxi, la conductividad eléctrica fue de casi 16,3 S/m y los compuestos mostraron una recuperación de la forma después de 120 s a una diferencia de potencial de 60 V. Mohan y colaboradores [52] combinaron poli (ácido láctico) con CNT y obtuvieron un nanocompuesto mediante un proceso químico normal, como se muestra en la Figura 4d. El nanocompuesto tenía una conductividad de 10-6 S/m con un comportamiento de recuperación de la forma en 11 s a un voltaje constante de 60 V. El mismo fenómeno se observó para un compuesto de CNTs decorados con Cu y dispersados en PLA/ESO (aceite de soja epoxidado). El nanocompuesto recuperó su forma original en 35 s con un voltaje de 40 V (Figura 4b) [53].
Fibra muscular de nylon
Se han desarrollado numerosos métodos para ampliar la vida útil de la IPMC basada en agua, como la optimización del proceso de preparación [42], el uso de etilenglicol o glicerina como disolventes en lugar de agua [43,44], el dopaje de nanopartículas higroscópicas para mantener la humedad [45], el refuerzo de la IPMC mediante una capa de protección del electrodo de fundición [46], así como el recubrimiento de toda la IPMC con una capa de aislamiento [47]. Recientemente, Guo et al. [40] fabricaron electrodos metálicos recubiertos de PEDOT mediante injerto eléctrico para compensar las grietas metálicas causadas por la flexión, y las pruebas de resistencia indicaron que su durabilidad se extendía a 83 min. Sin embargo, estos métodos sólo podían conducir a una mejora limitada de la vida útil de los IPMC. El refuerzo por la capa adicional también podría tener un efecto adverso en el rendimiento de actuación de IPMC.
El uso de IL no volátil como disolvente en la capa de electrolito de IPMC puede mejorar significativamente la estabilidad del actuador al aire libre [32]. El mecanismo de flexión de las IPMC basadas en IL es similar al de las IPMC tradicionales basadas en agua, como se muestra en la Figura 2. La acumulación de cationes en el cátodo y de aniones en el ánodo provoca una diferencia de volumen entre los dos lados y da lugar a la flexión. Liu et al. [34] caracterizaron el perfil de profundidad de los iones móviles en la membrana de ionómero que contenía BMIMCl (cloro de 1-butilo 3-metilimidazolio) intercalado con dos electrodos de oro mediante el uso de la espectrometría de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo, confirmando que los aniones y los cationes se reúnen cerca del ánodo y del cátodo, respectivamente. Cabe destacar que el IL utilizado en la capa electrolítica no se disoció completamente [48], y los aniones y cationes del IL mostraron diferentes velocidades de migración [49]. Por lo tanto, la dirección de flexión [50,51] y el grado de desviación [52] del IPMC basado en IL se vieron afectados por la diferencia del producto de la cantidad de migración de los iones y su volumen de Van der Waals bajo el campo eléctrico. Sin embargo, la relajación posterior sigue existiendo en las IL-IPMC. Además, la velocidad de respuesta de las IL-IPMC sería significativamente más lenta que la de las IPMC basadas en agua porque las IL muestran una menor movilidad en el electrolito debido a su alta viscosidad [53].
Fibra muscular artificial
El creciente interés por los robots blandos se debe a las nuevas posibilidades que ofrecen estos sistemas para hacer frente a problemas que no pueden abordar los robots construidos a partir de cuerpos rígidos. En los últimos años se han desarrollado muchas soluciones innovadoras para diseñar componentes y sistemas blandos. Todas ellas demuestran que el desarrollo de la robótica blanda depende estrechamente de los procesos de fabricación avanzados. El objetivo de esta revisión es ofrecer una visión del estado actual de la fabricación de robótica blanda. En primer lugar, pone de manifiesto los componentes elementales que pueden utilizarse para desarrollar actuadores blandos, ya sea mediante fluidos, aleaciones con memoria de forma, polímeros electroactivos o materiales con respuesta a estímulos. A continuación se presentan otros tipos de componentes elementales, como las estructuras inteligentes blandas o los sistemas híbridos blandos y rígidos. La segunda parte de esta revisión trata de los métodos de fabricación utilizados para construir estructuras blandas completas. Incluye el moldeo, con posibles refuerzos e inclusiones, la fabricación aditiva, la fabricación de películas finas, la fabricación por deposición de formas y la adhesión. Las conclusiones del artículo resumen los pros y los contras de las técnicas presentadas, y se abren a temas en desarrollo como los métodos de diseño para la robótica blanda y las tecnologías de detección.