Este músculo artificial move coisas por conta própria

May 08, 2023

Max G. Levy

Na seção de hortifrutigranjeiros de uma mercearia, o pepino é banal. Mas na seção de viveiro de uma loja de ferragens, diz Shazed Aziz, a planta do pepino é uma maravilha.

Alguns anos atrás, Aziz caminhou pela Bunnings Warehouse, uma rede de ferragens australiana, indo direto para uma planta de pepino em particular. No dia anterior, ele havia notado suas gavinhas peculiares - caules finos que se projetam da planta em espirais de vários tamanhos e que as videiras de pepino usam para alcançar as superfícies e se erguer para acessar mais luz solar. Em sua primeira visita, aqueles cachos em forma de hélice eram longos e soltos. "Quando voltei à loja no dia seguinte, eles estavam contratados", diz Aziz, um pós-doutorando em engenharia de materiais da Universidade de Queensland.

Ele rastreou um membro da equipe e perguntou por que a fábrica havia mudado tanto e tão rápido. Poderia estar seco, doente ou moribundo? Não. A planta estava simplesmente respondendo à umidade e a um dia quente, semelhante à forma como um girassol gira para seguir o sol – um fenômeno chamado tropismo.

Como engenheiro, Aziz se animou com a ideia de um material natural ecologicamente correto. Ele obteve um PhD estudando músculos artificiais, novos tipos de atuadores que são componentes de um dispositivo que, como nossos músculos, converte estímulos em movimento e pode ser usado para fazer roupas elétricas, próteses versáteis e dispositivos de mobilidade acionados por eletricidade ou água pressurizada. ou ar.

Embora esses dispositivos geralmente consistam em materiais artificiais como polímeros condutores ou "ligas com memória de forma" que se movem entre formas particulares, os pesquisadores que estudam esses conceitos se inspiram na natureza: tentáculos de polvo versáteis, poderosas trombas de elefante e beija-flores velozes. O pepino que muda de forma no Bunnings Warehouse deu uma ideia a Aziz: alguém poderia copiar não apenas a forma helicoidal de uma planta, mas também seu comportamento autônomo?

Com a planta a reboque, Aziz voltou para casa e pensou em como apresentar o projeto ao seu mentor. Em seguida, ele mergulhou em artigos acadêmicos para aprender sobre gavinhas de pepino para que pudesse fazer a engenharia reversa de seu comportamento. Como eles se contraem e se expandem? Como eles sobem contra a gravidade? Ele descobriu que as plantas helicoidais formam espirais em um nível mais profundo do que suas gavinhas. Fios de fibra de celulose microscópica chamados microfibrilas se torcem dentro das células vegetais, que por sua vez se torcem dentro de feixes de células, que se torcem dentro de espirais de gavinhas.

Ele decidiu imitar essa estrutura microscópica com um atuador que tem camadas e mais camadas de torções, na esperança de capturar o movimento de uma planta. Ele sabia exatamente o material com o qual começar: fios. Os fios já são feixes de fibras bem torcidos. As torções semelhantes a plantas são construídas no nível molecular e, como o fio é macio, seria fácil enrolar em mais dimensões.

Seis meses depois, Aziz tinha um protótipo – um fio de algodão enrolado infundido com polímeros especiais que absorvem e retêm água, chamados hidrogéis. Escrevendo para a Advanced Materials em maio, sua equipe descreveu a imitação das bobinas em expansão e contração de plantas helicoidais até um nível microscópico, mostrando que sua mola de fio se contraía automaticamente quando molhada ou fria e era poderosa o suficiente para mover pequenos objetos por conta própria.

"Ele realmente parece imitar muito bem o comportamento da planta", diz Heidi Feigenbaum, engenheira mecânica da Northern Arizona University que esteve envolvida em projetos nos quais linhas de pesca torcidas ou polímeros ocos se expandem e contraem como músculos, mas não fazem parte do projeto de Aziz. equipe. Ela acredita que os atuadores helicoidais são um benefício para o campo por causa da flexibilidade e força que fornecem.

Jeremy White

Emily Mullin

Equipe WIRED

Will Knight

O experimento de imitação de pepino é a primeira demonstração de tropismo semelhante a uma planta em um atuador e faz parte de um movimento em direção à robótica "suave", que usa atuadores construídos a partir de materiais fluidos como tecido, papel, fibras e polímeros, em vez de rígidos juntas de metal, para priorizar o movimento versátil. A suavidade melhoraria os robôs em situações em que a flexibilidade e o design discreto são importantes, como durante a cirurgia. E um robô macio autônomo poderia operar em locais onde não há fornecimento de energia elétrica – e sem pessoas.