Músculos artificiales

A menudo escuchamos que la vida es movimiento: desde la rigidez aparente de un árbol (sus células, al dividirse para formar otras, requieren de cierta fuerza motriz) hasta el vuelo de una libélula; desde la locomoción ‒mediante pseudópodos‒ de un glóbulo blanco hasta el nado sereno de una ballena azul. Sí, la vida, en efecto, es movimiento.

Motor cinesina sobre un microtúbulo.

El movimiento en los organismos biológicos se basa en un sistema de microtúbulos (proteína estructural o de soporte) sobre el cual los motores moleculares: miosina, dineína y cinesina pueden deslizarse. Tal conjunto proteínico conforma a las miofibrillas, que a su vez son unidades fundamentales de las fibras musculares (miocitos) que constituyen al músculo. Las contracciones musculares ocurren bajo señales eléctricas provenientes de las neuronas motoras especializadas para este fin.

Escalables

La escalabilidad es una de las propiedades más importantes de los músculos. Es decir, un músculo de abeja tiene prácticamente la misma estructura que el de un elefante o una ballena. Esta propiedad no la poseen dispositivos creados por el hombre: motores eléctricos y de combustión interna. El avance tecnológico de las últimas décadas ha permitido el desarrollo de motores que, de manera «natural», pueden elongarse/contraerse como los músculos y podrían ser escalables. A estos dispositivos se les ha dado el nombre de músculos artificiales.

Músculos artificiales

La síntesis y caracterización de nuevos materiales ‒sobre todo polímeros‒ a partir de la segunda mitad del siglo XX ha permitido el desarrollo de dispositivos en forma de fibra o película que emulan las contracciones/distensiones de los músculos biológicos. Su accionamiento sucede mediante una señal eléctrica. Se dividen en dos grandes grupos: polímeros electro-activos (PEA) y polímeros electro-activos iónicos (PEAI).

Esquema de músculo artificial PEA, que muestra la
deformación que sufre cuando se le aplica un potencial (1).

El mecanismo del primer grupo ‒PEA‒ se basa en el principio de funcionamiento de los condensadores eléctricos de placas paralelas, los cuales almacenan energía eléctrica en ambas placas ‒separadas a una cierta distancia‒ al aplicarles un potencial eléctrico (o voltaje). El «relleno» entre las placas (dieléctrico) influye en la cantidad de carga eléctrica que pueden almacenar (capacidad eléctrica). Un músculo artificial PEA, consiste de dos «placas paralelas» elásticas y un dieléctrico también elástico. Así, al aplicarles un voltaje (del orden de los kV ‒mil voltios‒), las placas adquieren una carga eléctrica opuesta que genera una fuerza electrostática de atracción, la cual produce una deformación en el mismo plano de las placas. Al dejar de aplicar el voltaje, la carga eléctrica es disipada mediante una resistencia eléctrica y el dispositivo recupera su forma original. Estos músculos artificiales suelen ser tan rápidos como la carga/descarga de las «placas». El principal inconveniente es que funcionan con un voltaje muy alto, lo cual obliga a extremar precauciones.

Inserción de iones entre las cadenas
poliméricas del polipirrol, ocasionando una
elongación  total en el material (1).

Por otra parte, los músculos artificiales PEAI, tienen por base ‒en su mayoría‒ a los polímeros conductores. Debido a que los enlaces químicos de sus cadenas poliméricas son conjugados (enlaces dobles y sencillos alternados), es posible la transferencia de carga eléctrica. Es decir, bajo ciertas condiciones, a través del volumen del polímero conductor, puede circular una corriente eléctrica. Tal transferencia de carga mejora si entre las cadenas del polímero hay iones (átomos o moléculas que, ante la falta o exceso de electrones, adquieren carga positiva o negativa) que contribuyen con más carga. A esta condición se le conoce como «estado dopado», el cual es reversible si se aplica un potencial adecuado que pueda permitir la inserción/expulsión de los iones provenientes de un electrolito. Este fenómeno iónico provoca un incremento/decremento de la distancia entre las cadenas poliméricas que se refleja en una expansión/contracción total del polímero conductor. Los músculos PEAI pueden trabajar con potenciales muy bajos (uno o dos voltios). Uno de sus principales inconvenientes es que son dispositivos lentos (cumplir un ciclo de trabajo les lleva varios segundos).

En las últimas dos décadas se han desarrollado músculos artificiales PEAI de polímeros conductores como, polianilina, polipirrol y politiofeno (y sus derivados). Los retos que hay que vencer para mejorarlos, son: el incremento de su vida útil (la inserción/expulsión de iones termina por afectar la estructura polimérica en un tiempo relativamente corto), elevar su capacidad de elongación (en la actualidad, suele ser de 1 a 3%), y mejorar su velocidad de accionamiento (quizá podrían ser más porosos para incrementar la interacción iónica).

Consideraciones finales

Además de los músculos artificiales que se vieron líneas arriba, se están desarrollando otros basados sólo en nanotubos de carbono (estructura tubular que es una de las formas en que el carbono puede existir), hidrogeles (sistemas coloidales donde la fase continua es sólida y la dispersa es líquida), materiales compuestos de polímero conductor y nanoestructuras (como nanotubos de carbono, grafeno ‒estructura monoatómica de carbono que al apilarse da origen al grafito‒), sistemas híbridos, entre otros.

En cuanto a las aplicaciones, se han desarrollado sistemas braille automáticos, pinzas, sistemas para enfocar lentes, superficies de textura controlable, desarrollos biomiméticos que emulan la locomoción de peces, serpientes, insectos, entre otros más. Creo que no está muy lejano el día en que puedan crearse prótesis de mano, brazo o pierna, basados en su totalidad de músculos artificiales.

Algunas referencias:

1.Tissaphern Mirfakrhai et al. Polymer Artificial Muscles. Materials Today, 10, 4, 2007, 30-38.

2.Paul Calvert. Hydrogels for soft machines. Advanced Materials, 21, 2009, 743-756.

3.Ali E. Aliev. Giant-Stroke, Superelastic Carbon Nanotube Aerogel Muscles. Science, 323, 2009, 1575-1578.