Movimiento sin Motor
Hay dos maneras usuales de generar movimiento a partir de la electricidad: Motores y bobinas. Pero hay una manera distinta y mucho más nueva para generar movimiento a partir de la electricidad - Aleaciones con Memoria de la Forma o SMA,s. Estas aleaciones metálicas especiales sufren cambios en su forma y dureza cuando experimentan cambios de temperatura y lo hacen con gran fuerza.
Los Músculos Artificiales o Músculos de Alambre tiran con una sorprendente fuerza (capaces de levantar miles de veces su propio peso) y se mueven en silencio con la apariencia de estar casi vivos. Se pueden calentar directamente con electricidad y se pueden emplear en multitud de aplicaciones con rapidez y precisión.
Mecanismo y Circuito Básicos
El dispositivo mostrado en la figura da un ejemplo de un músculo de alambre alimentado por dos pilas de tipo AA. Cuando se conectan, el alambre se contrae levantando la palanca y el peso. Este dispositivo consta de las partes que se encuentran en cualquier sistema de músculos de alambre:
Alimentación.- Proporciona energía para calentar el Músculo de Alambre. En este ejemplo dos pilas tipo AA.
Sistema de Control.- Proporciona el control del "encendido y apagado" del Músculo de Alambre. En este caso se hace mediante los ojos, manos y cerebros del operador.
Sistema de Regulación.- Una parte del sistema eléctrico que limita la energía del Músculo de Alambre y le protege del daño sufrido por sobrecalentamiento. Aquí, la propia resistencia interna de las pilas limita la máxima cantidad de corriente que pueden producir, así como que su tamaño está de acuerdo con la longitud y diámetro del alambre.
Músculo de Alambre.- Es el que genera el movimiento, al estar alimentado, controlado y protegido por los otros sistemas. Tiene que estar bien conectado tanto mecánica como eléctricamente al resto del sistema.
Mecanismo.- Consta de las grapas, palanca, soporte y demás componentes que permiten que el músculo de alambre actúe del modo deseado. El mecanismo también protege al músculo de alambre de sobreesfuerzos, curvaturas excesivas y otras solicitaciones que podrían dañarlo o degradar sus prestaciones.
Cómo Trabajan los Músculos de Alambre
Los Músculos de Alambre pertenecen a la clase de las aleaciones metálicas que exhiben una propiedad conocida como Efecto de Memoria de la Forma (SME). Estas Aleaciones con Memoria de la Forma (SMAs) tienen una estructura cristalina uniforme que cambia radicalmente a una estructura diferente a diferentes temperaturas.
Cuando la aleación con memoria está por debajo de la "temperatura de transición" se la puede deformar y tensionar sin daño permanente, más que a la mayoría de los demás metales. Después de haber deformado la aleación, si se la calienta (eléctricamente o por una fuente de calor externa) por encima de su "temperatura de transición", la aleación "recupera" la forma anterior y deshace por completo la deformación previa.
Ideas y Aplicaciones Futuras
Un solo músculo de alambre puede ejercer una fuerza extremadamente elevada para su pequeña masa, pero nuevas formulaciones, métodos de proceso y, lo más importante, nuevos diseños de circuitos y mecanismos afrontan el lograr un incremento grande de la eficacia global y la utilidad de los dispositivos accionados por grupos de músculos de alambre.
Actuadores Integrados.-
Para incrementar la fuerza total disponible de un dispositivo accionado por Músculos de Alambre, se diseñan módulos que combinan grupos de alambres con sensores de posición y fuerza, aislamiento térmico, comunicación y sistemas activos de refrigeración. Estos actuadores serían los equivalentes robóticos de los grupos de músculos en los seres vivos.
Cuando se conectan al esqueleto de una máquina y se conectan a una fuente de energía y una red de comunicación, estos grupos de actuadores pueden crear movimiento suave, lineal y eficaz, sin fuentes de presión neumática o hidráulica y sin los inconvenientes de tamaño y peso de los motores.
Extremidades Artificiales.-
Las extremidades artificiales constan de un bastidor fuerte pero ligero, de varios actuadores, incluyen electrónica de control y están revestidos por una cubierta de apariencia natural, de manera que pueden parecerse a un brazo humano y ofrecer un movimiento muy real y funcional.
El usuario podría controlar el brazo de varias maneras: vía sensores que detectan impulsos en las terminaciones nerviosas, sensores que actúan sobre señales de otros músculos, o a través de interfaces asistidas por ordenador que interpreten las acciones de los ojos y cabeza y los conviertan en movimientos del brazo.
Prótesis Activas con Amplificadores Musculares.-
Puestos sobre las piernas como prótesis convencionales, las prótesis activas tienen sensores, amplificadores y grupos de actuadores de Músculos de Alambre integrados que permiten a una persona con capacidad muscular reducida a desplazarse sin muletas ni silla de ruedas.
Sistemas Teledirigidos.-
Los sistemas teledirigidos permiten al usuario sentir y actuar sobre objetos que se encuentran en lugares remotos, o en entornos peligrosos o inaccesibles. Los dispositivos teledirigidos podrían trabajar en el espacio, pudiendo dar mayor flexibilidad al planeamiento de la misión, fácil acceso a órbitas más lejanas reduciendo el coste y el riesgo.
Este tipo de dispositivos puede proporcionar señales táctiles detalladas al teleoperador indicándole, por ejemplo, cuando se ha tocado un objeto o se ha encontrado resistencia en sus acción.
Otro campo de actuación sería la cirugía, reduciendo enormemente el trauma, la infección y el tiempo de hospitalización que conllevan ciertos procesos médicos.
Robots Autónomos.-
Los avances en ordenadores, inteligencia artificial y fuentes de alimentación portátiles hacen posible la existencia de robots autónomos capaces de realizar multitud de tareas. Más que reemplazar al ser humano en sus habilidades e inteligencia, estas máquinas se utilizarían en tareas muy repetitivas o tediosas, peligrosas o incluso imposibles para los seres humanos.
Grupos de robots autónomos podrían realizar tareas complejas en una especie de ecología mecánica.
La última etapa de estos robots serían los androides, que durante años tan sólo han aparecido en la imaginación de los realizadores de películas, desde que en los años 20 Capek acuñó la palabra robot.
Palanca Básica
En este dispositivo, un trozo de músculo de alambre mueve una palanca que levanta un peso. Este proyecto pone de manifiesto cómo el pequeño movimiento de un Músculo de Alambre puede transformarse en un movimiento más débil, pero de mucha mayor amplitud.
Construcción:
Monta el Músculo de alambre, grapas, y cables de conexión como en la figura. Fotocopia el modelo que se adjunta y pégalo sobre cartulina delgada. Recorta la cartulina y clava el extremo donde se sujeta el Músculo de alambre con una chincheta como muestra la figura de manera que la cartulina quede a las cuatro del reloj. Empleando dos pilas del tipo AA el Músculo de Alambre deberá contraerse y mover la palanca unos 30 grados (por encima de las tres del reloj). Retira las pilas inmediatamente y permite que el alambre se relaje y enfríe.
¿Cómo Trabaja?
El alambre una vez conectado se contrae y levanta la palanca, puesto que la distancia de P a M es de diez veces la distancia de P a W, la fuerza ejercida por los 30 gramos de masa en el punto M es de diez veces mayor en el punto W.
El alambre levanta la palanca unos 5 mm en el punto W que se convierten en 50 mm en el punto M.
Observa que el producto de la fuerza por la longitud de la palanca sólo funciona si el alambre y la palanca forman un ángulo aproximado de 90 grados. Utiliza la trigonometría para calcular las prestaciones del dispositivo en otros ángulos y posiciones.
Variaciones