Amedida que uma planta de pepino cresce, ela gera gavinhas firmemente enroladas que buscam suportes para puxar a planta para cima. Isso garante que a planta receba o ma¡ximo de exposição possí­vel a  luz solar. Agora, pesquisadores do MIT descobriram uma maneira de imitar esse mecanismo de enrolamento e extração para produzir fibras que poderiam ser usadas como maºsculos artificiais para robôs, membros protanãticos ou outras aplicações meca¢nicas e biomédicas.

Embora muitas abordagens diferentes tenham sido usadas para criar maºsculos artificiais, incluindo sistemas hidra¡ulicos, servomotores, metais com memória de forma e polímeros que respondem a esta­mulos, todos eles tem limitações, incluindo alto peso ou tempos de resposta lentos. O novo sistema baseado em fibras, por outro lado, éextremamente leve e pode responder muito rapidamente, dizem os pesquisadores. As descobertas estãosendo relatadas hoje na revista Science .

As novas fibras foram desenvolvidas pelo pa³s-doutorado do MIT Mehmet Kanik e pelo estudante do MIT Sirma a–rga¼a§, trabalhando com os professores Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan e C. Cem TaÅŸan, e outros cinco usando uma técnica de estiramento de fibras para combinar dois polímeros dissimilares. em um aºnico fio de fibra.

A chave para o processo éacoplar dois materiais que tem coeficientes de expansão tanãrmica muito diferentes - o que significa que eles tem diferentes taxas de expansão quando são aquecidos. Este éo mesmo princa­pio usado em muitos termostatos, por exemplo, usando uma tira bimeta¡lica como forma de medir a temperatura. Amedida que o material juntado se aquece, o lado que deseja expandir mais rapidamente éretido pelo outro material. Como resultado, o material colado se enrola, inclinando-se para o lado que se expande mais lentamente.

Utilizando dois polímeros diferentes ligados entre si, um elasta´mero copola­mero ca­clico muito ela¡stico e um polietileno termopla¡stico muito mais ra­gido, Kanik, a–rga¼a§ e colegas produziram uma fibra que, quando estirada várias vezes em seu comprimento original, forma naturalmente uma bobina apertada, muito semelhante aos tenta¡culos que os pepinos produzem. Mas o que aconteceu a seguir, na verdade, foi uma surpresa quando os pesquisadores o experimentaram pela primeira vez. "Havia muita serendipidade nisso", lembra Anikeeva.

Assim que Kanik pegou a fibra enrolada pela primeira vez, o calor de sua ma£o são fez com que a fibra se enroscasse com mais força. Seguindo essa observação, ele descobriu que mesmo um pequeno aumento na temperatura poderia fazer a bobina apertar, produzindo uma força de tração surpreendentemente forte. Então, assim que a temperatura baixou, a fibra voltou ao seu comprimento original. Em testes posteriores, a equipe mostrou que esse processo de contratação e expansão poderia ser repetido 10.000 vezes "e ainda estava forte", diz Anikeeva.

Uma das razões para essa longevidade, diz ela, éque “tudo estãooperando sob condições muito moderadas”, incluindo baixas temperaturas de ativação. Apenas um aumento de 1 grau Celsius pode ser suficiente para iniciar a contração das fibras.

As fibras podem abranger uma ampla gama de tamanhos, de alguns micra´metros (milionanãsimos de metro) a alguns mila­metros (milanãsimos de metro) de largura, e podem ser facilmente fabricados em lotes de atécentenas de metros de comprimento. Testes mostraram que uma única fibra écapaz de levantar cargas de até650 vezes o seu pra³prio peso. Para esses experimentos em fibras individuais, a a–rga¼a§ e a Kanik desenvolveram configurações de testes dedicadas e miniaturizadas.

O grau de aperto que ocorre quando a fibra éaquecida pode ser “programado”, determinando quanto de um trecho inicial para dar a fibra. Isso permite que o material seja ajustado exatamente para a quantidade de força necessa¡ria e a quantidade de mudança de temperatura necessa¡ria para acionar essa força.

As fibras são feitas usando um sistema de desenho de fibra, que permite incorporar outros componentes na própria fibra. O desenho da fibra éfeito criando uma versão superdimensionada do material, chamada de pré-molde, que éentão aquecida a uma temperatura especa­fica na qual o material se torna viscoso. Ele pode então ser puxado, bem como puxar o caramelo, para criar uma fibra que retenha sua estrutura interna, mas éuma pequena fração da largura da pré-forma.

Para fins de teste, os pesquisadores revestiram as fibras com malhas de nanofios condutores. Essas malhas podem ser usadas como sensores para revelar a tensão exata experimentada ou exercida pela fibra. No futuro, essas fibras também poderiam incluir elementos de aquecimento, como fibras a³pticas ou eletrodos, fornecendo uma maneira de aquecaª-lo internamente, sem ter que depender de qualquer fonte de calor externa para ativar a contração do "maºsculo".

Tais fibras poderiam encontrar usos como atuadores em braa§os robóticos, pernas ou garras, e em pra³teses de membros, onde seu peso leve e tempos de resposta rápidos poderiam fornecer uma vantagem significativa.

Alguns membros protanãticos hoje podem pesar até30 libras, com grande parte do peso vindo de atuadores, que são freqa¼entemente pneuma¡ticos ou hidra¡ulicos; Atuadores mais leves poderiam facilitar muito a vida de quem usa pra³teses. Tais fibras também podem encontrar usos em pequenos dispositivos biomédicos, como um roba´ médico que funciona indo para uma artanãria e depois sendo ativado ”, sugere Anikeeva. "Temos tempos de ativação da ordem de dezenas de milissegundos a segundos", dependendo dasDimensões , diz ela.

Para fornecer maior força para elevar cargas mais pesadas, as fibras podem ser agrupadas, assim como as fibras musculares são agrupadas no corpo. A equipe testou com sucesso pacotes de 100 fibras. Atravanãs do processo de desenho da fibra, os sensores também podem ser incorporados nas fibras para fornecer feedback sobre as condições que encontram, como em um membro prostanãtico. A a–rga¼a§ diz que as fibras musculares agrupadas com um mecanismo de feedback de circuito fechado podem encontrar aplicações em sistemas robóticos, onde o controle automatizado e preciso énecessa¡rio.

Kanik diz que as possibilidades para materiais deste tipo são virtualmente ilimitadas, porque quase qualquer combinação de dois materiais com diferentes taxas de expansão tanãrmica poderia funcionar, deixando um vasto doma­nio de possa­veis combinações para explorar. Ele acrescenta que essa nova descoberta foi como abrir uma nova janela, apenas para ver “um monte de outras janelas” esperando para ser aberta.

"A força deste trabalho estãovindo de sua simplicidade", diz ele.

A equipe também incluiu o estudante de pós-graduação do MIT, Georgios Varnavides, o pa³s-doutorado Jinwoo Kim e os alunos de graduação Thomas Benavides, Dani Gonzalez e Timothy Akintlio. O trabalho foi apoiado pelo Instituto Nacional de Distaºrbios Neurola³gicos e Derrames e pela National Science Foundation.