Componentes ligeros para automóviles y máquinas
Sus accionamientos con memoria de forma tienen un diámetro de 300-400 micras (1 micra = 1 milésima de milímetro) y son ultraligeros y muy eficientes energéticamente. Utilizando músculos artificiales fabricados con una aleación de níquel y titanio, el equipo es capaz de fabricar componentes de accionamiento en miniatura para su uso en espacios muy reducidos, pero también mucho más amplios. El equipo de investigadores presenta su nueva tecnología en la feria de Hannover de este año, del 17 al 21 de abril.
En el mundo actual, cada vez hay que instalar más tecnología en espacios más reducidos. En coches, aviones y otras máquinas y dispositivos, el espacio es un bien escaso. Y el peso total es otro factor importante. Cuanto más ligero sea el vehículo, menos combustible necesitará o, en el caso de los vehículos eléctricos, más durará la batería. En el futuro, un novedoso tipo de tecnología actualmente en desarrollo podría ayudar a que los componentes sean más pequeños y ligeros, y consuman menos energía. Un equipo de investigación dirigido por los especialistas en materiales inteligentes Stefan Seelecke y Paul Motzki, con sede en la Universidad de Saarland y el Centro de Mecatrónica y Tecnología de la Automatización (ZeMA) de Saarbrücken, está desarrollando los novedosos componentes con el objetivo de fabricarlos comercialmente.
Con músculos artificiales, alambres con memoria de forma hechos de níquel-titanio, los investigadores construyen componentes técnicos compactos. El estudiante de doctorado Carmelo Pirritano investiga los novedosos accionamientos inteligentes. © Oliver Dietze.
Los científicos de Saarbrücken aprovechan las propiedades de los materiales inteligentes para dotar a los componentes de accionamiento de músculos artificiales. Estos componentes se utilizan siempre que algo tiene que girar o cuando hay que instalar interruptores en espacios reducidos. De hecho, pueden proporcionar el tipo de movimiento giratorio de gran par y ángulo que actualmente requiere el uso de motores mucho más grandes o sistemas hidráulicos o neumáticos.
El prototipo que el equipo de investigadores presenta en la feria de Hannover de este año contiene filamentos de “músculo” artificial hechos de alambres ultrafinos de níquel-titanio que pueden contraerse o relajarse en función de la corriente aplicada. Los hilos son capaces de ejercer una fuerza de tracción considerable en una distancia muy corta. Estos músculos artificiales de aleación de níquel y titanio tienen la mayor densidad de energía de todos los mecanismos de accionamiento conocidos", explica el profesor Stefan Seelecke.
Los hilos ultrafinos se contraen o relajan como fibras musculares reales, dependiendo de si fluye o no una corriente eléctrica. La aleación de níquel y titanio es un material con memoria de forma. A nivel de la red cristalina, el material puede existir en dos fases que pueden transformarse entre sí. Cuando el material está en una fase, “recuerda” la estructura de la red en la otra fase y se transforma en esa estructura cuando, por ejemplo, cambia la temperatura", explica Stefan Seelecke. Si una corriente eléctrica atraviesa un alambre de níquel-titanio, el material se calienta y adopta otra estructura cristalina, con lo que el alambre se acorta. Cuando se corta la corriente, el alambre se enfría y recupera su longitud original. El equipo de investigación crea haces de estos finos alambres con memoria de forma, igual que las fibras musculares en la naturaleza se agrupan en haces de fibras. Cuantos más hilos tengamos, mayor será la superficie y más rápido podremos disipar el calor, lo que se traduce en una relajación más rápida tras la contracción", explica Paul Motzki, profesor interinstitucional de sistemas de materiales inteligentes para la producción innovadora en la Universidad del Sarre y en ZeMA.
Los ingenieros pueden controlar el movimiento de estos músculos artificiales para que se contraigan y relajen como fibras musculares reales. Y como no necesitan sensores adicionales, estos sistemas de accionamiento ahorran espacio y energía. No necesitan sensores porque los propios músculos artificiales también sirven de sensores. Cuando los cables cambian de forma, también lo hace su resistencia eléctrica. Podemos asignar valores de resistencia precisos a cada deformación, lo que permite extraer datos sensoriales", explica Paul Motzki. Los ingenieros de investigación utilizan estos valores medidos para modelar y programar secuencias de movimiento precisas.
Los investigadores utilizan un mecanismo patentado de cremallera y piñón que convierte el movimiento lineal en rotación, como en este prototipo expuesto en la Feria de Hannover. © Oliver Dietze.
Después pueden construir componentes de forma modular utilizando estos músculos artificiales controlables con precisión, adaptando sus diseños a las necesidades de cada aplicación específica. Por ejemplo, si quieren que algo gire, los ingenieros hacen que los cables se contraigan y tiren de una rueda dentada. Al igual que con los músculos reales, los ingenieros utilizan dos músculos que trabajan en oposición. "Desplegamos nuestros alambres con memoria de forma en pares agonistas y antagonistas que trabajan juntos como músculos flexores y extensores, para que la rotación sea posible en ambas direcciones".
Cuando el alambre se contrae, una palanca convierte la contracción lineal en el ángulo de rotación correspondiente. Cuanto más corta es la palanca, mayor es el ángulo de rotación", explica Paul Motzki. Hemos desarrollado un mecanismo patentado de cremallera y piñón que convierte el movimiento lineal en rotativo, y expondremos el prototipo en la feria de Hannover de este año", añade.
La tecnología también es escalable, por lo que también se pueden fabricar componentes técnicos de mayor tamaño. A diferencia de los motores de combustión o eléctricos y de los sistemas neumáticos o hidráulicos, la tecnología que se está desarrollando en Saarbrücken no produce ruido ni gases de escape, y no necesita equipos adicionales como mangueras, válvulas, bombas o compresores, ni tierras raras. Durante su estancia en la feria de Hannover, el equipo de investigadores también buscará socios con los que desarrollar su tecnología para nuevas aplicaciones.
Prof. Dr. Stefan Seelecke (izq.) y Prof. Dr. Paul Motzki. © Oliver Dietze.
Antecedentes
El equipo de investigación ha utilizado esta tecnología para una amplia gama de aplicaciones, desde novedosos sistemas de refrigeración y pinzas robóticas hasta válvulas y bombas.
La tecnología sigue siendo desarrollada por estudiantes de doctorado que investigan en el marco de sus proyectos de tesis doctoral. Los resultados se han publicado como artículos en diversas revistas científicas. El trabajo de investigación también ha recibido el apoyo de numerosas fuentes. Por ejemplo, el gobierno del estado de Sarre ha proporcionado financiación a través del proyecto FEDER 'iSMAT' en ZeMA.
La empresa "mateligent GmbH" surgió del departamento del profesor Seelecke para facilitar la transferencia de los resultados de su investigación orientada a las aplicaciones a aplicaciones comerciales e industriales.
En el mundo actual, cada vez hay que instalar más tecnología en espacios más reducidos. En coches, aviones y otras máquinas y dispositivos, el espacio es un bien escaso. Y el peso total es otro factor importante. Cuanto más ligero sea el vehículo, menos combustible necesitará o, en el caso de los vehículos eléctricos, más durará la batería
En el futuro, un novedoso tipo de tecnología actualmente en desarrollo podría ayudar a que los componentes sean más pequeños y ligeros, y consuman menos energía. Un equipo de investigación dirigido por los especialistas en materiales inteligentes Stefan Seelecke y Paul Motzki, con sede en la Universidad de Saarland y el Centro de Mecatrónica y Tecnología de la Automatización (ZeMA) de Saarbrücken, está desarrollando los novedosos componentes con el objetivo de fabricarlos comercialmente
