Un nuevo tipo de fibra muscular artificial impulsada eléctricamente

El nuevo sistema reúne dos tecnologías, explicó Afsar. Uno es un músculo artificial impulsado por fluido conocido como actuador McKibben delgado, y el otro es una bomba de estado sólido miniaturizada basada en electrohidrodinámica (EHD), que puede generar presión dentro de un compartimiento de fluido sellado sin partes móviles ni un suministro de fluido externo.

Hasta ahora, la mayoría de los actores blandos impulsados ​​por fluidos han dependido de “infraestructura hidráulica pesada, voluminosa y a menudo ruidosa” externa, dice Afsar, “lo que dificulta su integración en sistemas donde la movilidad o el diseño compacto y liviano son importantes”. Esto ha creado un cuello de botella fundamental en el uso práctico de actuadores fluídicos en aplicaciones del mundo real.

La clave para superar este cuello de botella fue el uso de bombas integradas basadas en principios electrohidrodinámicos. Estas bombas accionadas eléctricamente a escala milimétrica generan presión y flujo inyectando cargas en un líquido dieléctrico, creando iones que arrastran el líquido con ellos. Con un peso de sólo unos pocos gramos cada uno y no más gruesos que un palillo, se pueden fabricar de forma continua y escalar fácilmente. “Integramos estas bombas de fibra en un circuito cerrado de líquido con los delgados actuadores McKibben”, dice Afsar, señalando que no fue una tarea sencilla dada la diferente dinámica de los dos componentes.

Una estrategia de diseño clave fue emparejar estas fibras en lo que se conoce como configuraciones antagónicas. Cacucciolo explica que aquí es donde “un músculo se contrae mientras otro se alarga”, como cuando doblas los brazos y contraes los bíceps mientras los tríceps se estiran. En su sistema, una bomba de fibra de escala milimétrica se encuentra entre dos actuadores McKibben de escala similar, impulsando el fluido a través de un actuador para que se contraiga mientras el otro se relaja.

“Esto recuerda mucho a cómo se configuran y organizan los músculos biológicos”, dice Afsar. “No elegimos esta configuración simplemente por biomimética, sino porque necesitábamos una forma de almacenar el líquido en el diseño del músculo”. La necesidad de un depósito externo abierto a la atmósfera fue uno de los principales factores que limitaban el uso práctico de las bombas EHD en sistemas robóticos fuera del laboratorio. Al emparejar dos fibras McKibben en línea, con una bomba de fibra entre ellas para formar un circuito cerrado, el equipo eliminó esta necesidad por completo.

Otro hallazgo clave fue que las fibras musculares necesitan ser pretensadas, en lugar de simplemente rellenarse. “Existe una presión interna mínima que el sistema puede tolerar”, dice Afsar, “por debajo de la cual la bomba puede degradarse o dejar de funcionar temporalmente”. Esto ocurre debido a la cavitación, en la que se forman burbujas de vapor cuando la presión en la entrada de la bomba cae por debajo de la presión de vapor del líquido, lo que eventualmente conduce a una ruptura dieléctrica.

Para evitar la cavitación, se aplicó una presión “sesgada” desde el principio para que la presión en la entrada de la bomba de fibra nunca caiga por debajo de la presión de vapor del líquido. La magnitud de esta presión de polarización se puede ajustar dependiendo de la aplicación. “Para lograr la máxima contracción que el músculo puede generar, descubrimos que existe un rango de presión de polarización específico que es mejor”, dijo. “Si desea configurar el sistema para una respuesta más rápida, podría aumentar esta presión de sesgo, incluso con cierta reducción en la contracción máxima”.

Cacucciolo añade que la mayoría de las extremidades y manos robóticas actuales están construidas alrededor de servomotores eléctricos, que tienen configuraciones fundamentalmente diferentes a las de los músculos naturales. Los servomotores generan un movimiento de rotación en un eje que debe convertirse en movimiento lineal, mientras que las fibras musculares se contraen y se extienden naturalmente de forma lineal, al igual que estas fibras electrofluídicas.

“La mayoría de los brazos robóticos y robots humanoides están diseñados alrededor de servomotores que los impulsan”, dijo. “Esto crea limitaciones de integración, porque los servomotores son difíciles de empaquetar densamente y tienden a concentrar la masa cerca de las articulaciones que impulsan. Por el contrario, los músculos artificiales en forma de fibras pueden empaquetarse firmemente dentro de un robot o exoesqueleto y distribuirse por toda la estructura, en lugar de concentrarse cerca de una articulación”.

Estos músculos electrofluídicos pueden ser especialmente útiles para aplicaciones portátiles, como exoesqueletos que ayudan a una persona a levantar cargas más pesadas o dispositivos de asistencia que restauran o aumentan la destreza. Pero los principios subyacentes también podrían aplicarse de manera más amplia. “Nuestros resultados se extienden a los sistemas robóticos impulsados ​​por fluidos en general”, afirma Cacucciolo. “Dondequiera que se utilicen actuadores fluídicos, o donde los ingenieros quieran reemplazar bombas externas con bombas internas, estos principios de diseño se pueden aplicar a una amplia gama de sistemas robóticos impulsados ​​por fluidos”.

Este trabajo “presenta un avance importante en el formato de fibra de acción blanda”, que “aborda varios obstáculos de larga data en el campo, particularmente en lo que respecta a la portabilidad y la densidad de potencia”, dice Herbert Shea, profesor del laboratorio de transductores blandos de la Ecole Polytechnique Federale de Lausanne en Suiza, que no estuvo asociado con esta investigación. “La falta de piezas móviles en la bomba hace que estos músculos sean silenciosos, una gran ventaja para las prótesis y la ropa de asistencia”, afirmó.

Shea añade que “este trabajo riguroso y de alta calidad cierra la brecha entre la dinámica de fluidos fundamental y las aplicaciones prácticas de la robótica. Los autores proporcionan una solución integral a nivel de sistema: caracterizan componentes individuales, desarrollan un modelo físico predictivo y lo validan a través de una serie de demostraciones”.

Además de Afsar y Cacucciolo, el equipo también incluyó a Gabriele Pupillo y Gennaro Vitucci del Politecnico di Bari y Wedyan Babatain y el profesor Hiroshi Ishii del MIT Media Lab. El trabajo contó con el apoyo del Consejo Europeo de Investigación y el consorcio patrocinado múltiplesmente Media Lab.