Centro de ElectroQuímica y Materiales Inteligentes de la UPCT

     

 

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    MUSCULOS ARTIFICIALES                                         

    La oxidación/reducción electroquímica de los polímeros conductores lleva asociado un cambio de volumen del material. El cambio de volumen (propiedad mecánica) está asociado al grado de oxidación y este a la carga consumida en el proceso electroquímico: propiedad electroquímica.

    Partimos de un polímero en estado neutro. Las elevadas interacciones polímero-polímero hacen que la estructura sea muy compacta. Al oxidarse y extraerse electrones de la cadena, las nacientes cargas positivas en cadenas vecinas provocan fuertes repulsiones electrostáticas. Mediante variaciones conformacionales las cadenas se mueven, la estructura se abre y los contraiones de la disolución penetran en el polímero para mantener la electroneutralidad. Con los iones también penetran moléculas del disolvente. El polímero se expande. Como la cantidad de contraiones que penetran es controlado por la carga de oxidación, también lo es la variación del volumen: puede ser detenida en cualquier momento o puede ser invertida desde cualquier momento.
    Son de reseñar los siguientes aspectos del proceso: la modificación de las dimensiones, las variaciones conformacionales en las cadenas poliméricas, el intercambio de iones con el medio, el encadenamiento de procesos eléctricos, químicos y mecánicos, el mantenimiento de la temperatura constante y el trabajar con sistemas húmedos en disoluciones electrolíticas. Todos estos aspectos son compartidos por los polímeros conductores con los músculos naturales, en los que:
    - hay una variación de dimensiones durante el trabajo,
    - el trabajo mecánico es originado por las variaciones conformacionales en la miosina,
    - un flujo de iones Ca+2, liberados por el pulso nervioso en el interior de las células musculares, desencadena el proceso
    - la transformación química de la ATP en ADP genera la energía para las transformaciones conformacionales en las cabezas miosínicas. El ATP se recupera en el ciclo de combustión de la glucosa.
    - todo ello ocurre a temperatura constante y en un medio acuoso.


                                                           
    Para transformar los movimientos conformacionales moleculares electroasistidos, en movimientos macroscópicos, en el laboratorio de Electroquímica de la Facultad de Químicas de San Sebastián, se ideó y
    patentó un dispositivo de doble capa, similar a los termómetros de bilámina metálica. Al electrodo metálico, recubierto de una película de polipirrol electrogenerada de 15 µm, se le adhirió una película polimérica comercial no conductora, de 30 µm. La bilámina polipirrol- película adherente fue pelada del electrodo y empleada como nuevo electrodo en una disolución acuosa.

    Al estar el movimiento basado en una propiedad electroquimiomecánica, estará influenciado por las variables químicas y eléctricas que actúen sobre la cinética electroquímica del proceso: el gradiente de potencial, la corriente que fluye por el sistema, o la concentración del electrolito en el medio.
    Al estar las variaciones de volumen relacionadas con el grado de oxidación del polímero, y estar éste controlado por el potencial eléctrico, debe de existir una relación biunívoca entre potenciales y volúmenes y, por lo tanto entre el potencial y la posición del extremo libre de la bicapa. Al dispositivo correspondiente se le denomina electroquimioposicionador.
    El estado actual de desarrollo de los músculos artificiales permite estar trabajando en aplicaciones para microrrobótica, en equipos quirúrgicos manejables al final de una sonda, en los catéteres para controlar su flexibilidad y facilitar su penetración, en equipos ópticos como posicionadores y como sensores-actuadores en sistemas de detección y alarma.
    El dispositivo, además de actuador es sensor. Cuando se le hace trabajar a densidad de corriente constante, el potencial de trabajo varía con las condiciones experimentales. Así al modificar la concentración del electrolito, el potencial de trabajo es tanto mayor cuanto menor es la concentración. Cuando se carga un peso en extremo libre del músculo, el potencial de trabajo, a corriente constante , aumenta con el peso arrastrado. En definitiva, el potencial de respuesta es sensible, y por lo tanto detecta, las modificaciones en las condiciones de trabajo.
    El dispositivo es capaz de desarrollar un trabajo mecánico y el dispositivo es capaz de arrastrar un peso varios cientos de veces superior al del polímero conductor adherido al extremo libre del mismo. Para la misma densidad de corriente, la velocidad del movimiento circular, o la energía mecánica desarrollada, dependen de la densidad de corriente por unidad de masa. Al igual que en los músculos naturales existe una relación entre energía mecánica desarrollada y masa muscular.
    Al estar el movimiento relacionado con la carga consumida mediante paso de corriente, el movimiento se puede detener, invertir, o acelerar en cualquier momento, sin más que hacer lo propio con la densidad de corriente.
    Los músculos artificiales basados en los polímeros conductores electrónicos intrínsecos fueron patentados en 1992 . Constituyen la segunda generación de músculos artificiales. La primera se inició en 1955 por Katchalski y se basaba en geles poliméricos no conductores electrónicos. Los geles trabajan a muy elevados potenciales (> 20 V) , necesitan dos electrodos metálicos auxiliares para crear el campo eléctrico que requieren, trabajan mediante fenómenos electrocinéticos (electroforesis y electro-ósmosis), son dispositivos electrocinetomecánicos y su velocidad de movimiento es baja.
    La segunda generación de músculos artificiales basados en polímeros conductores nos ha acercado a los músculos naturales en varios aspectos fundamentales: trabajan a bajo potencial ( 100 mV- 2 V) - los músculos naturales a 60-150 mV , que es el potencial del pulso nervioso- , el mismo material es conductor electrónico, iónico y es actuador y sensor de las condiciones de trabajo. El músculo natural se diferencia de la segunda generación de músculos artificiales en que en el primero el pulso eléctrico es solamente un disparador de la transformación de energía química en energía mecánica, mientras que en el artificial la corriente eléctrica es el motor del proceso. El músculo artificial trabaja tanto en contracción como en expansión, mientras que el natural solamente trabaja en contracción.

       

     

 Página del Grupo de Electroquímica de la Real Sociedad Española de Química.

 

 

 

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