MÚSCULOS ARTIFICIALES Basados en Polímeros Conductores

1. MÚSCULOS ARTIFICIALESBasados en Polímeros Conductores Carmen Carrión – Iván J. Fontán

2. ÍNDICE: • Introducción • Conductividad de los polímeros • Evolución de los músculos Artificiales • Mecanismo de Cambio de Volumen • Comparación con Músculos Naturales • Ventajas y limitaciones • Mejoras en su funcionamiento • Aplicaciones • Bibliografía Carmen Carrión – Iván J. Fontán

3. 1.- Introducción • El Premio Nóbel de Química del 2000 fue otorgado a Alan Heeger, Alan MacDiarmid (ambos norteamericanos) y al japonés Hideki Shirakawa • Los polímeros conductores son materiales con enormes posibilidades de aplicación . • Los polímeros conductores son macromoléculas formadas por monómeros con un sistema -conjugado que pueden sufrir en su distribución electrónica alteraciones provocadas por moléculas dopantes. Carmen Carrión – Iván J. Fontán

4. Desarollo de materiales para imitar el funcionamiento de los músculos • Para ello nuestro material tenía que tener las siguentes características: • Tensiones grandes • Durabilidad (curso de la vida largo, alta estabilidad) • Alta densidad de la fuerza (0.1 - 0.5 MPa) • Tiempo de reacción rápido (0.01 - 0.1 s) • Cociente de la alta energía/peso (≈ 0.1 kW/kg) • Química macromolecular similar a las proteínas Carmen Carrión – Iván J. Fontán

5. La conductividad electrónica • Se consigue dopando el polímero • Tipo n, agregan electrones a la banda de conducción • Tipo p quitan electrones de la banda de la valencia • Los podemos dopar electroquímicamente o vía fotodopaje Carmen Carrión – Iván J. Fontán

6. 2.-Evolución de los Músculos Artificiales • La primera generación de músculos artificialesgeles poliméricos no conductores • La segunda generación.Otero y colaboradores en 1992 con polímeros conductores • Mejorando la síntesis de película de polipirrol se consigió 180 grados en 4-6 segundos Carmen Carrión – Iván J. Fontán

7. Una tercera generación incorpora una segunda película de polipirrol capaz de mover masa de acero varios cientos de veces • la cuarta generación de nuestros músculos artificiales se construyó un músculo capaz de trabajar en el aire Carmen Carrión – Iván J. Fontán

8. 3.- Mecanismo de cambio de volumen • 1982 usando las membranas de polipirrol permeabilidad de membrana a ciertos iones se podría cambiar en dos órdenes de magnitud, bajo la polarización de potenciales diferentes • Los cambios de volumen en el polímero conductor son debidos al movimiento iónico producido durante una reacción electroquímica Carmen Carrión – Iván J. Fontán

9. 1991 Baughman, probar usar estos cambios de volumen probocar movimiento mecánico. • 1992 Otero patento el primer músculo artificial. Una bicapa de PPy/(ClO4-) con un polímero inactivo y flexible adherente. • Mediante una reaccion quimica se producia los cambios conformacionales en su estructura y asi producir movimiento. Carmen Carrión – Iván J. Fontán

10. 3.1 Movimiento bicapa • A) Movimiento de una bicapa polímero conductor/cinta adhesiva, con la distribución de tensiones entre el polímero y la cinta y con los movimientos de aniones. • (B) Esquema del movimiento macroscópico de una bicapa polipirrol/no conductor en una disolución electrolítica Carmen Carrión – Iván J. Fontán

11. 3.2 Movimiento tricapa • Ensamblar dos películas polipirrol • Una de las capas de polímero conductor se conecta como electrodo de trabajo, y la otra se conecta como contraelectrodo • Cuando se oxida la que esta conectada electrodo de trabajo, se produce la expansión de ésta , y la otra película se contrae. • En disolución acuosa de LiClO4. • Uno problemas es la generación de movimientos angulares primarios Carmen Carrión – Iván J. Fontán

12. 4.- Comparación con los musculos naturales • Diferencias Músculos naturales Músculos artificiales • Trabajo mecánico • Movimiento Corriente eléctrica Contracción y expansión Cambios miosina Contracción • Características comunes • Trabajo produce cambio de volumen • Intercambio de iones con el medio • Transformación energética ocurre a una temperatura constante y • en medio acuoso. • Pulsos eléctricos ligados generación del movimiento • Un movimiento mecánico controlado • Energía química en energía mecánica • Estructura macromolecular comparable Carmen Carrión – Iván J. Fontán

13. 5.-Ventajas y limitaciones • Ventajas: • Perfecto control que se tiene sobre la velocidad y dirección del movimiento, mediante la intensidad de corriente eléctrica que fluye y el sentido de flujo. Al cesar el flujo de corriente, el movimiento se detiene en un punto y la posición alcanzada se mantiene estable. • Presentan buena resistencia mecánica, voltajes de operación bastante bajos y poco peso. • La velocidad del proceso depende de la velocidad de difusión de los iones en el polímero sólido • La capacidad de estiramiento del polímero depende exclusivamente de la variación de volumen que experimenta al intercambiar iones con el medio • Tienen un tiempo de vida relativamente corto • Limitaciones: Carmen Carrión – Iván J. Fontán

14. 5.1 Mejoras en los musculos artificiales • Metal elástico llamado "alambre con memoria de la forma". • La luz de una frecuencia específica activaría un onda de carga que avanzaría en la molécula de polímero • Músculos artificiales mediante fibras que actuasen como micro motores ,usando nitinol. • Ventajas de nitinol,puede deformarse millones de veces. • Desventaja, las largas exposiciones a temperaturas lo puede alterar. Carmen Carrión – Iván J. Fontán

15. 6.- Aplicaciones 6.1 Músculos artificiales para píldoras • Pueden "inyectar" el medicamento sin necesidad de una inyección • Gran utilidad para diabeticos • La técnica está en estudio y es susceptible de ser perfeccionada 6.2 Músculos artificiales para televisores • Control de ”superprismas” que llevaria el color real a nuestras monitores • Regilla de difraccion que permitira observar todos los colores Carmen Carrión – Iván J. Fontán

16. 6.4 Músculos Artificiales con sensibilidad al acto • nuevo músculo sirve para manejar extremidades robóticas. • Este trabajo gran relevancia permitiría trabajos de alta precisión en cualquier entorno que resulte de muy difícil acceso a una persona 6.4 Traje especial para discapacitados • Panasonic ha presentado un traje con músculos artificiales, su objetivos es ayudar a personas con dificultades de movilidad Carmen Carrión – Iván J. Fontán

17. 7.- Bibliografía • http://wwwprof.unidandes.edu.co/infquimi/revista01/id89.htm • Handbook of organic conductive molecules and polymers. Nalwa. Herisngh • http://www.ucm.es/info/policond/polimeros_conductores.htm • Introducción a la química de los polímeros. Seymour, Reimond • Enciclopedia de tecnología química. Kirk • Revista avance y perspectiva. Vol.20. enero-febrero 2001 • Página web ciencia y salud: http://canales.laverdad.es/cienciaysalud/6_3_7.html • http://wwwprof.uniandes.edu.co/~infquimi/revista01/id89.htm • http://wwwprof.uniandes.edu.co/~marcorte/Documentos/cortes_200803.pdf • Revista e-polymers 2003.no.041- Artificial muscles based on conducting polymers. http://www.e-polymers.org • http://www.upct.es/~equimica/laboratorio/musculos_artificiales.htm • http://news.bbc.co.uk/hi/spanish/science/newsid_5274000/5274392.stm • http://investigacion.universia.es Carmen Carrión – Iván J. Fontán