por Eduardo J. Carletti

Conceptos generales y detalles prácticos

Los alambres termocontraíbles usados como músculos en robótica (a los que también se les llama «alambre muscular») se hacen de nitinol. El nitinol es de una clase de material al que se le llama aleación con memoria de la forma (SMA, del inglés «Shape Memory Alloy»). Las aleaciones con memoria de la forma tienen características mecánicas interesantes. El nitinol, por ejemplo, que es la aleación con la que se forman los alambres para músculos robóticos, se contrae cuando se lo calienta, que es lo contrario de lo que ocurre cuando se calienta un metal estándar. Esta aleación no sólo se contrae con el calor, sino que produce un movimiento térmico (extensión-contracción) 100 veces mayor que el de los metales estándar.

Otra característica interesante de las SMA es el efecto de memoria de la forma (SME, del inglés «Shape Memory Effect»). Es posible hacer que la aleación recuerde una forma en particular. Una vez que recuerda esa forma, la aleación se puede deformar. Y se la puede hacer volver a la forma original calentando la aleación por encima de una temperatura que se llama «de transición». La fuerza generada cuando el alambre está volviendo a su forma es asombrosamente potente. Una pulgada cuadrada de material de nitinol genera una fuerza de retorno a la forma de +30.000 PSI.

Aunque los científicos conocían las SMA desde 1932 y habían experimentado con ellas, estas aleaciones recién salieron de los laboratorios en 1962. William Beuhler, trabajando en los laboratorios navales de EEUU, descubrió el efecto de SMA en una aleación de níquel y titanio. El equipo científico intentaba desarrollar una aleación resistente al calor y a la corrosión. En el proceso de obtenerla, crearon una aleación con memoria de la forma, hecha con 55% de níquel y 45% de titanio. Este nuevo material era relativamente barato y mucho más seguro (no tóxico) que las SMA anteriores.

El equipo bautizó a su nueva aleación como Nitinol. El nombre representa los componentes y el lugar de origen. El «NI» y el «TI» son los símbolos atómicos para el níquel y el titanio. El «NOL» se refiere al laboratorio naval de artillería en donde fue descubierto (Naval Ordinance Laboratory).

La mezcla de níquel y titanio en el nitinol está hecha de partes casi iguales de uno y otro, y el más pequeño cambio en la relación entre los dos elementos tiene un efecto dramático en la temperatura de transición de la aleación resultante. Una diferencia de 1 % en esta relación modifica la temperatura de transición de -100 a +100 C. Cada empresa que produce nitinol deben mantener la relación de los componentes a un exacto valor para asegurar una temperatura de transición estable y repetible.

La aleación de nitinol que se suele utilizar para robótica tiene una temperatura de transición de 70° C (también hay una línea de productos con una temperatura un poco mayor, 90° C).

Cómo funciona

Esta característica física tan especial del nitinol se basa en su estructura cristalina dinámica y sensible al calor. Cuando el nitinol está deformado, en una fase que se llama «martensítica», la estructura cristalina no se destruye, sino que se transforma, cambiando a una singular disposición cristalina. Cuando el material se calienta vuelve a su estructura recordada, llamada «de austenita», sujeta a una menor tensión.
En los metales normales, en cambio, las deformaciones hacen que la estructura molecular se deshaga, dejando a los átomos en nuevas posiciones cristalinas. A causa de esto el cristal no puede conservar una «memoria» de dónde estaban los átomos antes de moverse.

El movimiento físico del nitinol se debe a la reestructuración interna de las moléculas. Y como el movimiento se genera a nivel molecular, es muy potente.

La aleación de nitinol tiene tres fases distintas de temperatura:

Fase martensítica
Fase de baja temperatura. La estructura cristalina está alineada y cúbica. La aleación se puede doblar y darle forma con facilidad. La presión de deformación que se necesita es de 10.000 a 20.000 PSI. La flexión deforma la estructura cristalina de la aleación, produciendo tensión interna.

Fase austenita
La temperatura está por encima de la temperatura de transición. El movimiento que se genera en esta fase se debe a que la estructura cristalina vuelve a su estado no tensionado (cúbico). La temperatura exacta de transición es según sea la composición exacta de la aleación del nitinol; generalmente, las aleaciones comerciales tienen temperaturas de transición de entre 70° C a 130° C. La fuerza con la que los materiales vuelven a su forma original es considerable, 35.000 a 70.000 PSI.

Fase de recocido
Fase de alta temperatura. La aleación reorientará su estructura cristalina (cúbica) para luego «recordar» la forma que tiene en ese momento. La fase de recocido para el alambre de nitinol que se utiliza en robótica es de aproximadamente 540° C.

Características físicas:

Fuerza de extensión: 200.000 PSI
Punto de fusión: 1.250° C (2.282° F)
Resistencia: 0,5 ohmios por cm. (alambre .006″)
Es resistente a la corrosión

Una descripción rápida de las fases de Nitinol es:

A temperatura ambiente, el nitinol está en su fase martensítica. Cuando se cambia la forma de la aleación, la estructura cristalina se deforma, creando una tensión interna. Calentando la aleación por encima de su temperatura de transición (fase de austenita), la estructura cristalina intenta librarse de las tensiones de su estructura cristalina, volviendo a su forma «recordada» original. Esto crea el movimiento térmico de la SMA. Por supuesto, si a la aleación no se ha sido deformada ni tensionada en la fase de martensita, los cambios cristalinos de la estructura igual ocurren, pero no producen ningún movimiento.

Alambre Flexinol

El alambre Flexinol es una marca registrada de Dynalloy Inc. El Flexinol es un alambre de nitinol que se ha entrenado para que funcione como un actuador. Si se lo utiliza apropiadamente, el alambre Flexinol puede rendir 1.000.000 ciclos, mientras que algunos alambres de nitinol pueden durar sólo 1.000.

Mariposa animatrónica con músculos de alambre

Analizaremos brevemente los alambres Flexinol de .006 y de .015 de pulgada de diámetro.

Quisiera aclarar que existe un alambre Nitinol (nombre comercial), pero el nombre nitinol también se usa normalmente en la industria para referenciar cualquier alambre con ese tipo de aleación. Así se menciona (con minúsculas) en el análisis que sigue, que corresponde a los alambres Flexinol (marca comercial).

El alambre Flexinol de 6 milésimas de pulgada tiene una fuerza de contracción de 0,311 Kg; el alambre Flexinol de 15 milésimas de pulgada tiene una fuerza de contracción de 1,786 Kg.

Se puede hacer contraer el alambre hasta reducir su longitud en un porcentaje de un 8% a 10% de su tamaño total. Sin embargo, para lograr un tiempo de vida útil más extenso (de más de 1.000.000 de ciclos) es conveniente que se lo haga contraer a sólo un 5% a 6% de su tamaño, incluso menos, si es posible.

Cuando se reduce la longitud de un alambre de nitinol, el volumen absoluto de metal continúa siendo el mismo. Por esta razón, a menor longitud, crecerá el diámetro.

La contracción y relajación depende de la temperatura del alambre de aleación de nitinol. Se puede utilizar cualquier método que se desee para calentarlo y enfriarlo. El alambre de nitinol tiene una resistencia eléctrica alta (para ser un conductor metálico), de aproximadamente 0,5 ohms por centímetro en el alambre de 6 milésimas de pulgada. La resistencia del alambre a la corriente eléctrica produce con rapidez un calor suficiente como para llevar al alambre a su temperatura de transición. Por esta razón, la mayoría de las veces se utilizan los alambres de nitinol haciendo pasar por ellos una corriente eléctrica para calentarlos. Cuando se permite que el material se enfríe, el alambre se puede estirar con facilidad hasta su longitud original.

El alambre de nitinol usualmente se utiliza aplicando una fuerza de tensión opuesta a la dirección de su contracción. Esta fuerza repone al alambre a su longitud original en la fase de baja temperatura. A esta fuerza aplicada se le llama fuerza de extensión.

Si se lleva un alambre de nitinol a su temperatura de transición sin una fuerza de extensión, se contraerá, pero cuando se enfríe no retornará a su longitud original. En consecuencia, ante la ausencia de una fuerza de extensión, cuando el alambre se caliente de nuevo no habrá una nueva contracción.

En la mayoría de las aplicaciones se le aplica al alambre una fuerza constante de extensión. En la figura se muestran dos maneras de aplicar esta fuerza de extensión: un resorte o un peso estático.

La velocidad y fuerza del alambre dependen de la rapidez con que se aumenta la temperatura y también de qué temperatura se aplica. Por ejemplo, unos 400 mA de corriente eléctrica a través de un alambre de 6 milésimas de pulgada de nitinol producirá un tirón máximo de 0,3 Kg y la contracción máxima se producirá en 1 segundo. El tiempo de reacción puede ser más corto, en el orden de los milisegundos. Para lograr esto se utilizan pulsos de corriente elevada. Cuando se hace esto, se debe tener en cuenta la masa y la velocidad del material que se va a mover. Cuanto más rápido se mueva una determinada masa, más grande será la inercia a vencer. Si la inercia es mayor a la resistencia a la tracción del alambre de 6 milésimas, éste se cortará.

La fuerza máxima de contracción se produce al comienzo del ciclo, en contraste con los solenoides estándar, que aplican el máximo de su fuerza cerca del final de su ciclo.

Calentamiento eléctrico

Un alambre de nitinol se puede activar por medio de un bajo voltaje, de entre 6 y 12 voltios. Se puede utilizar un circuito simple que consta de una batería, un interruptor y un tramo de alambre de nitinol, como se ve en la figura. Cuando se hace funcionar un alambre de nitinol con corriente continua es importante no mantener demasiado tiempo esta corriente para no sobrecalentar el alambre. Un sobrecalentamiento del alambre de nitinol degradará sus propiedades.

La corriente continua no calienta el alambre de manera pareja. Si se utiliza un circuito de modulación de ancho de pulso, como el que se muestra más abajo, se podrá calentar el alambre de manera pareja. Ese circuito es el más recomendable para activar un alambre de nitinol.

Un mecanismo simple de prueba para el alambre de nitinol es el que se ve en la figura que sigue. Con esta configuración tan simple se pueden observar las propiedades de la aleación. Básicamente, es como un músculo que se flexiona eléctricamente. Se necesita una base de madera o plástico de más menos 40 cm de longitud y un ancho de 10 cm, dos tornillos de 5 cm de largo y 3/16″ de diámetro, uno de 1,5 cm de largo y el mismo diámetro, nueve tuercas para estos tornillos, un resorte de expansión de unos 5 a 7 cm de largo, y un trozo de alambre de nitinol de unos 30 cm. Excepto el alambre de nitinol, todo este material se puede comprar en una ferretería.

Perfore dos agujeros en los extremos de la tabla, donde se introducirán los tornillos largos (una mecha de 5 mm estará bien) según se ve en la figura, a una distancia de 32 cm. Los tornillos se fijan como se ve en la imagen, y el tornillo corto sólo une el extremo del alambre y el resorte, pero no está fijo a la base. El alambre de nitinol se sostiene en el tornillo dándole una vuelta o dos y apretándolo fuertemente entre dos tuercas. Una manera de fijar convenientemente los extremos del alambre de nitinol es utilizando el tipo de terminales eléctricos que se colocan a presión (utilizando una pinza especial), como se muestra en la figura.

Para la elección del resorte se debe tener en cuenta que la fuerza que puede ejercer el alambre de nitinol al contraerse está en el orden de los 300 gs. Es decir, el alambre no podrá extender un resorte que no se estire poniéndole en un extremo un peso de 300 gs. Pero el resorte no debe ser demasiado débil, ya que debe ser capaz de tirar del alambre de regreso a su posición cuando se retira la corriente y el alambre se relaja.

Para conectar este sistema a una fuente de alimentación se utilizan cables con pinzas cocodrilo en sus extremos, que se unirán a los tornillos de sujección. Uno de los cables pasará por un interruptor (o pulsador) que utilizaremos para controlar las contracciones y extensiones del alambre.

La corriente circulará a través de los tornillos y el resorte, y pasará por el alambre de nitinol. Cuando se conecte la corriente, el alambre de nitinol se calentará con rapidez, se contraerá y tirará del resorte, llevando la unión del tornillo libre hacia el lado izquierdo de la imagen. Si se pone una marca en la posición inicial del tornillo y luego una en la posición alcanzada cuando circula corriente, se puede conocer con exactitud cuánto se contrajo el alambre.

Cuando se quita la corriente y el alambre se enfría, el resorte lo estira y el sistema retorna a su posición inicial. Como la fuente de alimentación es de corriente continua, sólo se debe conectar la corriente por momentos. Es muy fácil recalentar el alambre, algo que degrada las propiedades del nitinol.

Respuesta al calor del nitinol

En la respuesta al calor del nitinol se observa una curva de histéresis. Cuando sube la temperatura, la relación de temperatura-contracción es más rápida, al descender, a las mismas temperaturas corresponde un relajamiento menor al que se podría esperar si la curva fuese lineal. Este efecto de retraso, producido por la viscosidad o fricción interna de la estructura cristalina, se puede observar en el gráfico ubicado a la derecha.

Control electrónico del alambre

Aunque el simple circuito anterior funciona, con él es muy fácil sobrecalentar el alambre y dañar el funcionamiento de la aleación con memoria de la forma. La solución es trabajar con un circuito de modulación de ancho de pulso. Activar el alambre de nitinol por medio de un circuito de control de ancho de pulso ofrece varias ventajas. El circuito de control de ancho de pulso enciende y apaga con gran rapidez la corriente que circula por el alambre de nitinol. Esta alimentación entrecortada permite que el calor se disperse de manera más pareja, lo que evita puntos de calentamiento extremo.

La relación encendido-apagado de la onda cuadrada de salida se puede variar desde 100% encendido a 100% apagado. Este rango permite controlar la contracción de manera proporcional. De esta manera se puede controlar mejor el alambre de nitinol durante mayor tiempo sin causar daños a la estructura cristalina de la aleación.

El circuito de modulación del ancho de pulso está hecho en base a un integrado multivibrador 555. Éste genera una salida de frecuencia constante y una relación variable de encendido-apagado de la señal.
La relación encendido-apagado de la señal de onda cuadrada de salida se puede cambiar variando la resistencia del potenciómetro.

El transistor Q1 (MOSFET) conmuta la corriente a través del alambre de nitinol. Si la corriente a través del circuito de modulación de ancho de pulso resulta ser demasiada para controlar el alambre de nitinol de manera proporcional, coloque un resistor de 8 ohm (de 2 watt o más) en serie con el alambre de nitinol, para reducir la potencia.

Aplicaciones

Un músculo de alambre puede ejercer una fuerza extremadamente elevada para su pequeña masa. Para acrecentar 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, aislación térmica 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 un movimiento suave, lineal y eficaz, sin fuentes de presión neumática o hidráulica y sin los inconvenientes de tamaño y peso de los motores.

Memoria de la forma

La memoria de la forma es el efecto que describe el proceso de volver a la forma original debido a una deformación por calentamiento.

Superelasticidad

Es la capacidad que tiene el alambre de contraerse según la cantidad de temperatura que se le coloque debido a su estructura cristalina.

Las preguntas más comunes

P: ¿Qué son los músculos de alambre?
R: Los músculos de alambre son delgados alambres altamente procesados, hechos de una aleación de niquel y titanio llamada nitinol. Esta aleación es un tipo de aleación con memoria de la forma que puede tomar formas radicalmente diferentes (o «fases») a distintas temperaturas.

P: ¿Cómo funcionan los músculos de alambre?
R: A temperatura ambiente los músculos de alambre se pueden estirar con facilidad, aplicando una débil fuerza. Al conducir electricidad, sin embargo, el alambre se calienta y cambia a un estado mucho más rígido, que retorna a la forma que tenía antes de ser estirado. El alambre se contrae en longitud con un movimiento lineal cuya fuerza es utilizable para generar un movimiento en una máquina.

P: ¿Cuánto se contraen los músculos de alambre?
R: Los músculos de alambre se pueden estirar hasta un 8% por encima del total de su longitud, y se recuperarán totalmente, aunque sólo se podrá lograr esto por unos pocos ciclos. Si en cambio se los utiliza produciendo un estiramiento menor, entre un 3 a 6% de la longitud, los músculos de alambre pueden ser utilizados millones de veces con una performance que ofrece gran repetitividad y precisión.

P: ¿Cuán fuertes son los músculos de alambre?
R: Los alambres de mayor diámetro son más fuertes que los más delgados, así que la fuerza ejercida varía con el diámetro. La fuerza ejercida que se puede esperar de un alambre al calentarlo se muestra como «Fuerza de recuperación» en la tabla que se exhibe más abajo.
La «Fuerza de deformación» indica la cantidad que se necesita para estirar un alambre cuando está frío, alrededor de una sexta parte de la fuerza ejercida cuando se calienta el alambre. Los alambres más gruesos que se encuentran en el mercado tienen una fuerza 110 veces mayor que los de menor diámetro.

P: ¿Qué pasa si uno necesita que se ejerza aún más fuerza?
R: Para lograr más fuerza, se pueden utilizar dos o más alambres en paralelo. Esto ofrece tanta tracción como se necesite, y el sistema sigue teniendo los ciclos rápidos que tienen los alambres más delgados.

P: ¿Cuán rápido se pueden activar los músculos de alambre?
R: La velocidad de contracción de los músculos de alambre dependen de cuán rápido se los caliente, lo que se puede hacer en una milésima de segundo o menos. Para que se relaje, el alambre se debe enfriar, lo cual depende de las condiciones que rodean el alambre y de su tamaño. Entre los alambres Flexinol existen algunos con temperaturas de transición mayores (llamados HT) que se enfrían un 50% más rápido que los alambres del tipo LT. La tabla de más abajo lista la relación entre los ciclos de ambos tipos, LT y HT, cuando están ubicados en aire quieto. Si se aporta aire en movimiento o se sumergen los alambres en un fluido, que puede ser una mezcla de agua y glicerina, se pueden acrecentar esos ritmos diez veces o más.

P: ¿Qué duración tienen los músculos de alambre?
R: Si se los utiliza en el rango de un 3 a 5% de variación de su longitud, y en condiciones apropiadas, los músculos de alambre pueden rendir millones de ciclos. Habitualmente fallan o necesitan ajuste de longitud otras partes del dispositivo antes de que lo necesiten los músculos de alambre.

P: ¿Cuáles son las ventajas de los músculos de alambre?
R: En comparación con motores o solenoides, los músculos de alambre tienen varias ventajas: tamaño pequeño, poco peso, bajo consumo, una relación peso-fuerza muy alta, control preciso, se pueden activar con CC o CA, poco magnetismo, larga vida y acción lineal directa.
Estas características permiten crear dispositivos que son difíciles o imposibles de implementar con elementos diferentes a los músculos de alambre.

P: ¿Cuáles son las claves cuando se usan músculos de alambre?
R: Para lograr mayor duración y mejor rendimiento de los músculos de alambre, cumpla las siguientes pautas:

• Haga buenas conexiones eléctricas y mecánicas.
• Proteja al alambre de sobrecalentamientos.
• Proteja al alambre de sobreestiramientos.

P: ¿Cuánta energía de alimentación consumen los músculos de alambre?
R: La energía que se necesita para activar los alambres depende de su diámetro, longitud y condiciones ambientales.

La tabla que se muestra más abajo lista los valores típicos de corriente para condiciones normales de ambiente. El consumo se produce en el momento de contraer el alambre, pero una vez que se ha logrado la contracción, la energía consumida se puede reducir para evitar sobrecalentamiento.

* Multiplicar por 0,0098 para convertir la fuerza a Newtons
** Ciclos por minuto, en aire quieto, a 20° centígrados
LT = Baja temperatura 70° C, HT = Alta temperatura 90° C
*** El Flexinol 025 sólo está disponible en baja temperatura (LT), 70° C

Una nota final para quienes buscan este tipo de alambre en el mercado: no pretenda utilizar como músculo para robots el alambre de nitinol que se utiliza para arreglos dentales, ya que su temperatura de transición es muy baja: se contrae con la temperatura de nuestros cuerpos, de 36° C, y sólo se relaja cuando se lo enfría a temperaturas muy bajas.

Proveedores:

Dynalloy Inc.
Images SI Inc.
Small Parts Inc.
Robot Store