Los alambres termocontra\u00edbles usados como m\u00fasculos en rob\u00f3tica (a los que tambi\u00e9n se les llama \u00abalambre muscular\u00bb) se hacen de nitinol<\/b>. El nitinol es de una clase de material al que se le llama aleaci\u00f3n con memoria de la forma (SMA, del ingl\u00e9s \u00abShape Memory Alloy\u00bb). Las aleaciones con memoria de la forma tienen caracter\u00edsticas mec\u00e1nicas interesantes. El nitinol, por ejemplo, que es la aleaci\u00f3n con la que se forman los alambres para m\u00fasculos rob\u00f3ticos, se contrae cuando se lo calienta, que es lo contrario de lo que ocurre cuando se calienta un metal est\u00e1ndar. Esta aleaci\u00f3n no s\u00f3lo se contrae con el calor, sino que produce un movimiento t\u00e9rmico (extensi\u00f3n-contracci\u00f3n) 100 veces mayor que el de los metales est\u00e1ndar.<\/p>\n
![](\"\/img\/Actuadores_musculosalambre_stiquito.jpg\")
<\/center><\/p>\nOtra caracter\u00edstica interesante de las SMA es el efecto de memoria de la forma (SME, del ingl\u00e9s \u00abShape Memory Effect\u00bb). Es posible hacer que la aleaci\u00f3n recuerde una forma en particular. Una vez que recuerda esa forma, la aleaci\u00f3n se puede deformar. Y se la puede hacer volver a la forma original calentando la aleaci\u00f3n por encima de una temperatura que se llama \u00abde transici\u00f3n\u00bb. La fuerza generada cuando el alambre est\u00e1 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.<\/p>\n
Aunque los cient\u00edficos conoc\u00edan las SMA desde 1932 y hab\u00edan experimentado con ellas, estas aleaciones reci\u00e9n salieron de los laboratorios en 1962. William Beuhler, trabajando en los laboratorios navales de EEUU, descubri\u00f3 el efecto de SMA en una aleaci\u00f3n de n\u00edquel y titanio. El equipo cient\u00edfico intentaba desarrollar una aleaci\u00f3n resistente al calor y a la corrosi\u00f3n. En el proceso de obtenerla, crearon una aleaci\u00f3n con memoria de la forma, hecha con 55% de n\u00edquel y 45% de titanio. Este nuevo material era relativamente barato y mucho m\u00e1s seguro (no t\u00f3xico) que las SMA anteriores.<\/p>\n
El equipo bautiz\u00f3 a su nueva aleaci\u00f3n como Nitinol. El nombre representa los componentes y el lugar de origen. El \u00abNI\u00bb y el \u00abTI\u00bb son los s\u00edmbolos at\u00f3micos para el n\u00edquel y el titanio. El \u00abNOL\u00bb se refiere al laboratorio naval de artiller\u00eda en donde fue descubierto (Naval Ordinance Laboratory).<\/p>\n
La mezcla de n\u00edquel y titanio en el nitinol est\u00e1 hecha de partes casi iguales de uno y otro, y el m\u00e1s peque\u00f1o cambio en la relaci\u00f3n entre los dos elementos tiene un efecto dram\u00e1tico en la temperatura de transici\u00f3n de la aleaci\u00f3n resultante. Una diferencia de 1 % en esta relaci\u00f3n modifica la temperatura de transici\u00f3n de -100 a +100 C. Cada empresa que produce nitinol deben mantener la relaci\u00f3n de los componentes a un exacto valor para asegurar una temperatura de transici\u00f3n estable y repetible.<\/p>\n
La aleaci\u00f3n de nitinol que se suele utilizar para rob\u00f3tica tiene una temperatura de transici\u00f3n de 70\u00b0 C (tambi\u00e9n hay una l\u00ednea de productos con una temperatura un poco mayor, 90\u00b0 C).<\/p>\n
C\u00f3mo funciona<\/b><\/p>\n
Esta caracter\u00edstica f\u00edsica tan especial del nitinol se basa en su estructura cristalina din\u00e1mica y sensible al calor. Cuando el nitinol est\u00e1 deformado, en una fase que se llama \u00abmartens\u00edtica\u00bb<\/b>, la estructura cristalina no se destruye, sino que se transforma, cambiando a una singular disposici\u00f3n cristalina. Cuando el material se calienta vuelve a su estructura recordada, llamada \u00abde austenita\u00bb<\/b>, sujeta a una menor tensi\u00f3n.
\nEn los metales normales, en cambio, las deformaciones hacen que la estructura molecular se deshaga, dejando a los \u00e1tomos en nuevas posiciones cristalinas. A causa de esto el cristal no puede conservar una \u00abmemoria\u00bb de d\u00f3nde estaban los \u00e1tomos antes de moverse.<\/p>\n
![](\"\/img\/Actuadores_musculosalambre_insec.jpg\")
<\/center><\/p>\nEl movimiento f\u00edsico del nitinol se debe a la reestructuraci\u00f3n interna de las mol\u00e9culas. Y como el movimiento se genera a nivel molecular, es muy potente.<\/p>\n
La aleaci\u00f3n de nitinol tiene tres fases distintas de temperatura:<\/p>\n
Fase martens\u00edtica<\/b>
\nFase de baja temperatura. La estructura cristalina est\u00e1 alineada y c\u00fabica. La aleaci\u00f3n se puede doblar y darle forma con facilidad. La presi\u00f3n de deformaci\u00f3n que se necesita es de 10.000 a 20.000 PSI. La flexi\u00f3n deforma la estructura cristalina de la aleaci\u00f3n, produciendo tensi\u00f3n interna.<\/p>\n
Fase austenita<\/b>
\nLa temperatura est\u00e1 por encima de la temperatura de transici\u00f3n. El movimiento que se genera en esta fase se debe a que la estructura cristalina vuelve a su estado no tensionado (c\u00fabico). La temperatura exacta de transici\u00f3n es seg\u00fan sea la composici\u00f3n exacta de la aleaci\u00f3n del nitinol; generalmente, las aleaciones comerciales tienen temperaturas de transici\u00f3n de entre 70\u00b0 C a 130\u00b0 C. La fuerza con la que los materiales vuelven a su forma original es considerable, 35.000 a 70.000 PSI.<\/p>\n
Fase de recocido<\/b>
\nFase de alta temperatura. La aleaci\u00f3n reorientar\u00e1 su estructura cristalina (c\u00fabica) para luego \u00abrecordar\u00bb la forma que tiene en ese momento. La fase de recocido para el alambre de nitinol que se utiliza en rob\u00f3tica es de aproximadamente 540\u00b0 C.<\/p>\n
Caracter\u00edsticas f\u00edsicas:<\/b><\/p>\n
Fuerza de extensi\u00f3n: 200.000 PSI
\nPunto de fusi\u00f3n: 1.250\u00b0 C (2.282\u00b0 F)
\nResistencia: 0,5 ohmios por cm. (alambre .006″)
\nEs resistente a la corrosi\u00f3n \t<\/p>\n
Una descripci\u00f3n r\u00e1pida de las fases de Nitinol es:<\/p>\n
A temperatura ambiente, el nitinol est\u00e1 en su fase martens\u00edtica. Cuando se cambia la forma de la aleaci\u00f3n, la estructura cristalina se deforma, creando una tensi\u00f3n interna. Calentando la aleaci\u00f3n por encima de su temperatura de transici\u00f3n (fase de austenita), la estructura cristalina intenta librarse de las tensiones de su estructura cristalina, volviendo a su forma \u00abrecordada\u00bb original. Esto crea el movimiento t\u00e9rmico de la SMA. Por supuesto, si a la aleaci\u00f3n no se ha sido deformada ni tensionada en la fase de martensita, los cambios cristalinos de la estructura igual ocurren, pero no producen ning\u00fan movimiento.<\/p>\n
Alambre Flexinol<\/b><\/p>\n
El alambre Flexinol es una marca registrada de Dynalloy Inc<\/b>. 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 s\u00f3lo 1.000.<\/p>\n
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![](\"\/img\/Actuadores_musculosalambre_animat.jpg\" "\\"Mariposa")
\nMariposa animatr\u00f3nica con m\u00fasculos de alambre<\/small>
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Analizaremos brevemente los alambres Flexinol de .006 y de .015 de pulgada de di\u00e1metro.<\/p>\n
Quisiera aclarar que existe un alambre Nitinol (nombre comercial), pero el nombre nitinol tambi\u00e9n se usa normalmente en la industria para referenciar cualquier alambre con ese tipo de aleaci\u00f3n. As\u00ed se menciona (con min\u00fasculas) en el an\u00e1lisis que sigue, que corresponde a los alambres Flexinol (marca comercial).<\/p>\n
El alambre Flexinol de 6 mil\u00e9simas de pulgada tiene una fuerza de contracci\u00f3n de 0,311 Kg; el alambre Flexinol de 15 mil\u00e9simas de pulgada tiene una fuerza de contracci\u00f3n de 1,786 Kg.<\/p>\n
Se puede hacer contraer el alambre hasta reducir su longitud en un porcentaje de un 8% a 10% de su tama\u00f1o total. Sin embargo, para lograr un tiempo de vida \u00fatil m\u00e1s extenso (de m\u00e1s de 1.000.000 de ciclos) es conveniente que se lo haga contraer a s\u00f3lo un 5% a 6% de su tama\u00f1o, incluso menos, si es posible.<\/p>\n
Cuando se reduce la longitud de un alambre de nitinol, el volumen absoluto de metal contin\u00faa siendo el mismo. Por esta raz\u00f3n, a menor longitud, crecer\u00e1 el di\u00e1metro.<\/p>\n
La contracci\u00f3n y relajaci\u00f3n depende de la temperatura del alambre de aleaci\u00f3n de nitinol. Se puede utilizar cualquier m\u00e9todo que se desee para calentarlo y enfriarlo. El alambre de nitinol tiene una resistencia el\u00e9ctrica alta (para ser un conductor met\u00e1lico), de aproximadamente 0,5 ohms por cent\u00edmetro en el alambre de 6 mil\u00e9simas de pulgada. La resistencia del alambre a la corriente el\u00e9ctrica produce con rapidez un calor suficiente como para llevar al alambre a su temperatura de transici\u00f3n. Por esta raz\u00f3n, la mayor\u00eda de las veces se utilizan los alambres de nitinol haciendo pasar por ellos una corriente el\u00e9ctrica para calentarlos. Cuando se permite que el material se enfr\u00ede, el alambre se puede estirar con facilidad hasta su longitud original.<\/p>\n
![](\"\/img\/Actuadores_musculosalambre_tens.gif\")
<\/center><\/p>\nEl alambre de nitinol usualmente se utiliza aplicando una fuerza de tensi\u00f3n opuesta a la direcci\u00f3n de su contracci\u00f3n. Esta fuerza repone al alambre a su longitud original en la fase de baja temperatura. A esta fuerza aplicada se le llama fuerza de extensi\u00f3n.<\/p>\n
Si se lleva un alambre de nitinol a su temperatura de transici\u00f3n sin una fuerza de extensi\u00f3n, se contraer\u00e1, pero cuando se enfr\u00ede no retornar\u00e1 a su longitud original. En consecuencia, ante la ausencia de una fuerza de extensi\u00f3n, cuando el alambre se caliente de nuevo no habr\u00e1 una nueva contracci\u00f3n.<\/p>\n
En la mayor\u00eda de las aplicaciones se le aplica al alambre una fuerza constante de extensi\u00f3n. En la figura se muestran dos maneras de aplicar esta fuerza de extensi\u00f3n: un resorte o un peso est\u00e1tico.<\/p>\n
La velocidad y fuerza del alambre dependen de la rapidez con que se aumenta la temperatura y tambi\u00e9n de qu\u00e9 temperatura se aplica. Por ejemplo, unos 400 mA de corriente el\u00e9ctrica a trav\u00e9s de un alambre de 6 mil\u00e9simas de pulgada de nitinol producir\u00e1 un tir\u00f3n m\u00e1ximo de 0,3 Kg y la contracci\u00f3n m\u00e1xima se producir\u00e1 en 1 segundo. El tiempo de reacci\u00f3n puede ser m\u00e1s 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 m\u00e1s r\u00e1pido se mueva una determinada masa, m\u00e1s grande ser\u00e1 la inercia a vencer. Si la inercia es mayor a la resistencia a la tracci\u00f3n del alambre de 6 mil\u00e9simas, \u00e9ste se cortar\u00e1.<\/p>\n
La fuerza m\u00e1xima de contracci\u00f3n se produce al comienzo del ciclo, en contraste con los solenoides est\u00e1ndar, que aplican el m\u00e1ximo de su fuerza cerca del final de su ciclo.<\/p>\n
Calentamiento el\u00e9ctrico<\/b><\/p>\n
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 bater\u00eda, 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 degradar\u00e1 sus propiedades.<\/p>\n
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![](\"\/img\/Actuadores_musculosalambre_cirsim.gif\")
\n<\/center><\/p>\n
La corriente continua no calienta el alambre de manera pareja. Si se utiliza un circuito de modulaci\u00f3n de ancho de pulso, como el que se muestra m\u00e1s abajo, se podr\u00e1 calentar el alambre de manera pareja. Ese circuito es el m\u00e1s recomendable para activar un alambre de nitinol.<\/p>\n
Un mecanismo simple de prueba para el alambre de nitinol es el que se ve en la figura que sigue. Con esta configuraci\u00f3n tan simple se pueden observar las propiedades de la aleaci\u00f3n. B\u00e1sicamente, es como un m\u00fasculo que se flexiona el\u00e9ctricamente. Se necesita una base de madera o pl\u00e1stico de m\u00e1s menos 40 cm de longitud y un ancho de 10 cm, dos tornillos de 5 cm de largo y 3\/16″ de di\u00e1metro, uno de 1,5 cm de largo y el mismo di\u00e1metro, nueve tuercas para estos tornillos, un resorte de expansi\u00f3n 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 ferreter\u00eda.<\/p>\n
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![](\"\/img\/Actuadores_musculosalambre_prueba.gif\")
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Perfore dos agujeros en los extremos de la tabla, donde se introducir\u00e1n los tornillos largos (una mecha de 5 mm estar\u00e1 bien) seg\u00fan 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 s\u00f3lo une el extremo del alambre y el resorte, pero no est\u00e1 fijo a la base. El alambre de nitinol se sostiene en el tornillo d\u00e1ndole una vuelta o dos y apret\u00e1ndolo fuertemente entre dos tuercas. Una manera de fijar convenientemente los extremos del alambre de nitinol es utilizando el tipo de terminales el\u00e9ctricos que se colocan a presi\u00f3n (utilizando una pinza especial), como se muestra en la figura.<\/p>\n
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![](\"\/img\/Actuadores_musculosalambre_term.jpg\")
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Para la elecci\u00f3n del resorte se debe tener en cuenta que la fuerza que puede ejercer el alambre de nitinol al contraerse est\u00e1 en el orden de los 300 gs. Es decir, el alambre no podr\u00e1 extender un resorte que no se estire poni\u00e9ndole en un extremo un peso de 300 gs. Pero el resorte no debe ser demasiado d\u00e9bil, ya que debe ser capaz de tirar del alambre de regreso a su posici\u00f3n cuando se retira la corriente y el alambre se relaja.<\/p>\n
Para conectar este sistema a una fuente de alimentaci\u00f3n se utilizan cables con pinzas cocodrilo en sus extremos, que se unir\u00e1n a los tornillos de sujecci\u00f3n. Uno de los cables pasar\u00e1 por un interruptor (o pulsador) que utilizaremos para controlar las contracciones y extensiones del alambre.
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