Polímeros electroactivos

En el Instituto de Investigación de Músculos Artificiales de la Universidad de Nuevo México, la electricidad está en el aire. Cuando el director del laboratorio, Mohsen Shahinpoor, aplica un voltaje a una mano artificial hecha de un compuesto de polímero y metal, sus dedos se curvan en un puño. Mire por el laboratorio y verá peces robóticos nadando, aleteando y levantando los brazos, todos ganando su músculo a partir de polímeros activados eléctricamente. Has visto robots antes, pero hay algo diferente en estos. Miran viva .

Desde principios de la década de 1990, los científicos e ingenieros de materiales han estado desarrollando polímeros electroactivos para su uso como sensores, actuadores y músculos artificiales. Un voltaje aplicado cambia la composición o la estructura molecular del polímero para que se expanda, contraiga o doble. El movimiento es más suave y más realista que el movimiento generado por dispositivos mecánicos: al igual que los músculos, los polímeros son flexibles y no se ven obstaculizados por la torpe rigidez de los engranajes y cojinetes. Los científicos creen que con esta similitud con el movimiento natural, los polímeros electroactivos podrían revolucionar la robótica y los dispositivos biomédicos. Dichos materiales podrían hacer posible el diseño de robots que maniobran con la gracia de un humano, piernas protésicas que se mueven y se sienten reales, y sistemas de microentrega implantables que bombean medicamentos de manera suave y silenciosa a donde se necesitan.

Esta historia fue parte de nuestro número de diciembre de 2002

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Sin embargo, hasta hace poco tiempo, los polímeros electroactivos han presentado problemas prácticos. Consumieron demasiada energía. No pudieron generar suficiente fuerza. Y no duraron lo suficiente. Pero los investigadores del mundo académico y de la industria han encontrado formas de hacer que los polímeros sean más fuertes, más robustos y más eficientes. Estas mejoras, dice Yoseph Bar-Cohen, científico investigador senior del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y uno de los pioneros del campo, permitirán una implementación más rápida de las ideas de ciencia ficción en la realidad de la ingeniería.

En septiembre pasado, en un avance que podría conducir a dispositivos médicos de menor potencia, Qiming Zhang y sus colegas de la Universidad Estatal de Pensilvania informaron que habían creado un actuador electroactivo que requiere una décima parte del voltaje necesario anteriormente. El avance clave de Zhang: un compuesto de polímero-semiconductor que obtiene más energía eléctrica por el dinero y sigue siendo muy flexible. Las ventajas de esta clase de dispositivo son su alta eficiencia y rápida respuesta. Pero esto es solo el comienzo, dice Zhang. Él predice que los productos farmacéuticos basados ​​en la tecnología, por ejemplo, pequeñas bombas de insulina portátiles que funcionan con baterías de bajo voltaje, podrían estar disponibles en cinco años.

Benjamin Mattes, director ejecutivo de Santa Fe Science and Technology, está construyendo músculos artificiales fuertes y duraderos a partir de polímeros conductores que se expanden y contraen en respuesta a los cambios en el flujo de iones hacia los materiales. Estos polímeros electroactivos generan enormes fuerzas a bajos voltajes. Debido a que las reacciones químicas descomponen el polímero, las versiones anteriores eran lentas y solo podían sobrevivir unos pocos ciclos. El último dispositivo de Mattes, sin embargo, rompe récords anteriores de velocidad y durabilidad. Su estructura coaxial -fibras diminutas enhebradas a través de un tubo hueco y envueltas en electrolito líquido- permite que los iones fluyan rápidamente hacia las fibras en respuesta al voltaje aplicado. Debido a que utiliza un líquido iónico altamente estable y conductor como electrolito, Mattes dice que ha logrado millones de ciclos sin degradación.

Gracias a estos avances en la ciencia de los materiales, los polímeros electroactivos están comenzando a producir dispositivos biomédicos útiles. En la Universidad de Nuevo México, Shahinpoor ha demostrado músculos artificiales delgados y duraderos que pueden levantar muchas veces su propio peso. Shahinpoor está utilizando los materiales para desarrollar ayudas implantables, como una bomba que funciona como un marcapasos mecánico para comprimir el corazón y un dispositivo diminuto que corrige la visión apretando suavemente el globo ocular. Su equipo comercializa los dispositivos a través de una empresa derivada, Environmental Robots en Albuquerque, Nuevo México.

Sin embargo, queda mucho trabajo por hacer antes de que la tecnología esté lista para el mercado. Para tener éxito, dice Shahinpoor, la empresa deberá asegurarse de que los materiales sean compatibles con los tejidos vivos y que sus funciones puedan controlarse con precisión. También deberá reducir los costos de fabricación en un factor de 10.

Aunque los próximos cinco años deberían ver el uso de polímeros electroactivos como componentes en herramientas microquirúrgicas, sistemas de administración de fármacos y ayudas correctivas, estos avances pueden ser solo el comienzo. Para lograr robots y dispositivos protésicos más realistas, los científicos deberán crear materiales que sean más inteligentes e interactivos. Dentro de 10 años, los investigadores tienen como objetivo desarrollar miembros artificiales que brinden retroalimentación al usuario, elegantes robots autónomos que funcionan con polímeros parecidos a músculos e incluso trajes que mejoran la fuerza y ​​la resistencia de los soldados y el personal de rescate. Si la investigación tiene éxito, la robótica realmente puede cobrar vida.

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