Resumen

Las aleaciones metálicas de níquel y titanio también conocidas como Nitinol, por sus siglas en inglés Niquel Titanium Naval Ordnance Laboratory (Níquel Titanio Laboratorio de Artillería Naval) en proporciones equimolares tienen propiedades tales como: biocompatibilidad, lo que las hace excelentes para aplicaciones médicas y odontológicas, así como propiedades de superelasticidad (pueden alcanzar hasta 10% sin perder su propiedad elástica) y por otro lado poseen memoria de forma (el material regresará a su forma original al cambiar su temperatura, debido a que dichos cambios de temperatura modifican la estructura cristalográfica de la aleación llevándola a su forma de martensita (frío) o de austenita (caliente) que las hace excepcionales en una amplia gama de aplicaciones en la industria, y particularmente en robótica. Los alambres de Nitinol tienen una gran fuerza, por ejemplo un alambre de 0.02 pulgadas (0.51 mm) puede levantar hasta 16 libras(7.26 Kg) en muchos ciclos sin sufrir deformación permanente, con ello es posible usar dicho alambres como actuadores que simulan las fibras musculares de los seres vivos, en robots. Este trabajo muestra de manera experimental las posibilidades que esta tecnología tendrá en el desarrollo de los robots del futuro.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Los metales de manera individual poseen propiedades que pueden ser alteradas al combinarse con otros materiales, la aleación níquel-titanio tiene la propiedad plástica de regresar a la forma original que adquirió a 600 grados centígrados, es decir, ya frío el material se puede moldear de cualquier manera y al calentarlo levemente (70 °C) nuevamente retornará a su forma inicial; con esta secuencia de enfriar – deformar – calentar y regresar a sus forma original, es posible generar movimiento. El calor se puede generar haciendo pasar una corriente eléctrica por filamentos de níquel-titanio por lo que el control de los ciclos se realiza con mucha facilidad y permite deformar y retraer el material con mucha precisión.

Otro factor que resulta relevante es el ahorro energético que se produce usando actuadores no convencionales como los aquí propuestos en comparación con el uso de motores o servomotores, sin embargo, dicha comparación queda fuera de los alcances de este trabajo.

Nuevas generaciones de robots podrán realizar algunas funciones con mayor rango de movimiento y precisión usando fibras de aleación níquel-titanio tal como sucede con las fibras musculares humanas.

Antecedentes

Las aleaciones de NiTi en proporciones casi equimolares (de acuerdo con sus masas atómicas una relación equimolar Ni-Ti tendría 58.69g-47.87g respectivamente) tienen propiedades de memoria de forma excelentes y encuentran múltiples aplicaciones en la industria y la medicina, en gran medida por su gran compatibilidad con los tejidos humanos, se han usado en microbombas que reemplazan funciones del corazón o los riñones, en “stents” para liberar arterias obstruidas y también son muy usadas en ortodoncia. (Ref. 1, pág. 2)

De define como aleaciones con memoria o SMA por sus siglas en inglés (Shape memory alloys) como aquellas que tienen la capacidad de retornar a su forma predeterminada cuando se calienta debido a cambios en su estructura cristalina. Esta propiedad permite aprovechar las grandes fuerzas que se generan.

Una de las aleaciones más común es la de níquel y titanio (nitinol), misma que posee muy buenas propiedades eléctricas y mecánicas, resiste la corrosión y la fatiga. Al usarla como actuador puede tener 5% de recuperación de tensión y su estrés de restauración alcanzar las 50,000 lb/pulg2 con muchos ciclos. Un alambre de 0.02 pulgadas (0.51 mm) de diámetro puede levantar hasta 16 libras (7.26 Kg). Otra importante característica es la posibilidad de accionarlo eléctricamente por calentamiento, esto es, cuando una corriente pasa a través del material se puede generar suficiente calor para causar la transformación. De esta manera el Nitinol es un actuador, sensor y calentador en un solo material. (Ref. 1, pag. 1)

Las primeras aleaciones fueron desarrolladas en 1962 por William Buehler y Frederick Wang y lo llamaron Nitinol, Niquel Titanium Naval Ordnance Laboratory (Níquel Titanio Laboratorio de Artillería Naval). (ref. 1. Pág. 1)

Los primeros descubrimientos de esta característica de memoria de forma tuvo lugar en 1932, donde el sueco Arne Ölander, descubrió este comportamiento con una aleación de Oro-Cadmio, después en 1938 A. b: Greninger y V.G, Mooradian observaron la fase martensítica aparecer y desaparecer con los cambios de temperatura en una aleación de Cobre-Zinc, dichas investigaciones se ampliaron por Kurdjumov y Khandros en 1949 y posteriormente por Chang y Read en 1951. (Ref. 1, pág. 12)

Fue en la década de los 60´s cuando surgieron los mayores avances en el tema, W. Buehler y sus compañeros del laboratorio naval de artillería de los Estados Unidos descubrieron la característica de memoria de forma de una aleación equiatómica de níquel y titanio a la que llamaron “Nitinol”. Las aplicaciones médicas surgieron en los años 70´s y específicamente las aplicaciones en ortodoncia y ortopedia en los 80’s. (Ref. 1, Pág. 12-13)

No obstante fue hasta la década de los años 1990 que las aplicaciones comerciales en medicina estuvieron disponibles.

Además de las aleaciones NiTi existen otras con características similares, como la superelasticidad, que se diferencia de la memoria de forma en que en este último caso no es necesario aplicar temperatura, por ejemplo:

• Níquel-Niobio
• Hierro-Cromo-Níquel-Manganeso
• Cobre-Zinc
• Cobre-Aluminio
• Cobre-Zinc-Alumnio

MEMORIA DE FORMA

La aleación equiatómica de NiTi (50% atómico de Ni y Ti) posee propiedades de memoria de forma y superelasticidad, en un rango del 49% hasta el 52% de níquel, debido a la transformación martensítica termoelástica entre una fase austenítica y una fase martensítica, de tal manera que el material pueda recuperar su forma predeterminada después de haber sufrido una deformación macroscópica e incluso al sufrir una deformación elástica hasta un 8-10%, a diferencia de un metal normal que llegaría a deformarse plásticamente a partir de un 0.2% de elongación.

El nitinol puede detectar un cambio a temperatura ambiente y es capaz de regresar a su forma a una estructura pre-programada. Es suave y fácilmente deformable en su forma de más baja temperatura (martensita) y recupera su forma y rigidez original cuando se calienta hasta su forma de más alta temperatura (austenita), lo cual se conoce como memoria de forma en un solo sentido. Hay aleaciones que pueden calentarse por arriba de sus temperaturas de transformación y pueden volver a una forma alternativa al enfriarse, en estos casos se trata de memoria de forma de dos vías.

En la mayoría de los casos, la memoria de forma sucede en una vía y después de enfriarse, la aleación no sufre ningún cambio en su forma, aunque la estructura cambie a martensita.

El efecto de memoria de forma en las aleaciones metálicas se debe a la transición entre dos fases sólidas, una de baja temperatura o martensítica y otra de alta temperatura o austenítica. Esto ocurre sin que exista difusión atómica, es decir, solamente se desplazan los átomos de manera organizada, de modo que la estructura cristalina se modifica.

Figura 1. Diagrama ejemplificando el efecto de la memoria de forma (Fuente: Ref. 1. Nitinol un biomaterial, pág. 15).

En el caso de las aleaciones NiTi, se someten a cambios de fase en su estructura cristalina al enfriarse desde una fase más fuerte, la forma de alta temperatura (austenita) a una más débil, la forma de baja temperatura (martensita), tal como se simula en la figura 2

Figura 2. Efecto de memoria de forma por temperatura (fuente: Nitinol un biomaterial, pág. 11)

PROPIEDADES DE LAS ALAEACIONES CON MEMORIA DE FORMA (SMA) PRESENTES EN LA ALEACIÓN NiTi

• Transformación martensítica termoelástica
• Memoria de forma simple
• Memoria de forma doble
• Superelasticidad
• Pseudoelasticidad
• Capacidad de amortiguamiento

CORROSIÓN

El Ti y sus aleaciones han gado gran importancia debido a su gran cantidad de aplicaciones en la industria aeroespacial, química y médica. Tiene una gran resistencia a la corrosión que se relaciona con una película pasivante de oxido en la superficie que las hace muy estables.

BIOCOMPATIBILIDAD

Si entendemos la biocompatibilidad como la interacción de un material introducido en un sistema bilógico vivo, podemos decir que la aleación NiTi posee una muy buena biocompatibilidad y citotoxidad que la hacen excelente opción para aplicaciones biomédicas.

APLICACIONES

Las aplicaciones son cada vez más extensas, por señalar algunos ejemplo exitosos:

• Hilos de ortodoncia
• Grapas de osteosíntesis
• Stents cardivasculares
• Robótica
• Sensores para seguridad industrial

ESTRUCTURA CRISTALOGRÁFICA

La estructura cristalina de la fase austenítica en las aleaciones de NiTi se designa estructura B2, que corresponde a una estructura cúbica, donde los átomos de Ni ocupan el centro de la red (en blanco en la figura 3), y los átomos de Ti se representan en color negro en la misma figura.

Figura 3. Estructura B2 (También llamada estructura BCC) característica de la austenita en las aleaciones con memoria de forma NiTi (Fuente: Nitinol un biomaterial, pág. 6)

PROPIEDADES MECÁNICAS

Las aleaciones con memoria de forma NiTi tienen un comportamiento mecánico distinto en función de la fase. Mismas que se pueden observar en la tabla 1.

Figura 4. Esquematización de las curvas tensión-deformación en función de la fase en materiales con memoria de forma. (Fuente: Nitinol un biomaterial, pág. 6)

En la tabla 1 se resumen la propiedades mecánicas del NiTi

Tabla 1. Propiedades mecánicas de las aleaciones NiTi en función de la fase presente. (Fuente: Nitinol un biomaterial pág. 7)

Objetivo

Demostrar las propiedades elásticas y de memoria de forma de la aleación níquel-titanio (nitinol) que puede usarse en la construcción de robots simulando los músculos humanos.

Justificación

Desde hace ya algunas décadas los seres humanos han cedido las actividades repetitivas a las máquinas, mismas que por su especialización nos superan en rapidez y precisión. Desde el uso de calculadoras electrónicas y computadoras que realizan operaciones de manera ágil y precisa hasta los grandes robots usados en la construcción de automóviles o en las naves espaciales, hoy los robots están cada vez más presentes en nuestra vida cotidiana y en los próximos años continuará su desarrollo de manera acelerada, este tipo de alternativas hará cada vez más accesible la construcción de robots que simulen las estructuras motrices del reino animal. Un importante reto en robots sin cables, es un eficiente consumo de energía, para brindarles mayor tiempo de independencia; las fibras musculares robóticas a base de níquel-titanio podrían ser un buen sustituto de motores altamente demandantes de energía.

Hipótesis

Meta de ingeniería.

Mostrar mediante un prototipo el ciclo de deformación y regreso a su forma original de un alambre hecho de aleación níquel-titanio (nitinol) capaz de generar movimiento en una estructura robótica.

Método (materiales y procedimiento)

A través de materiales didácticos desarrollados por Kellogg’s Research Labs mostrar las cualidades de memoria de forma de los alambres de Nitinol.

Experimento 1. Memoria de forma en un solo sentido. Deformación en frío (martensita) de manera manual y recuperación de forma a alta temperatura (austenita).

Materiales

• Recipiente con agua a temperatura ambiente
• Recipiente con agua caliente a 70°C
• Pinzas
• Termómetro de mercurio 0-100°C
• Alambre de Nitinol de 0.25mm preformado

Procedimiento

A temperatura ambiente, de manera manual, se deforma el alambre de Nitinol, sin ninguna figura en particular.

Se revisa la temperatura del agua caliente en el recipiente, misma que se debe encontrarse en un rango de 70 a 75°C, es muy importante no sobrecalentar el material para evitar que pierda la memoria de la forma previamente configurada por el fabricante.

Se coloca el alambre en el agua caliente y se observan los resultados.

Con precaución para evitar quemaduras, con las pinzas se saca el alambre del agua caliente y se coloca en el recipiente de agua a temperatura ambiente.

Experimento 2. Memoria de forma en dos sentidos, en su fase de austenita (caliente), la fibra de nitinol recupera su forma contrayéndose y en su fase de martensita (frío) se extiende.

Materiales

• Prototipo Biometal Inchworm, elaborado con una fibra de Nitinol de 100 micrones de diámetro.

Procedimiento

El biometal (nitinol), es un musculo artificial con un efecto de memoria de forma de longitud en dos vías.

Este biometal “recuerda” la longitud fijada. Cuando se calienta el musculo metálico se contrae y con el enfriamiento se extiende.

Este pequeño robot se mueve hacia adelante por un repetido proceso de calentamiento y enfriamiento de la fibra de nitinol.

Para lograr el calentamiento se hace pasar una corriente eléctrica por la fibra de nitinol, cuya propia resistencia eléctrica produce el calentamiento. Al quitar el flujo eléctrico la fibra se enfría.

Ve el vídeo aquí

El flujo eléctrico proviene de unas baterías alcalinas AA a través de un interruptor, el interruptor se coloca en posición de encendido por un tiempo máximo de 2 segundos, para evitar el sobre calentamiento y con ello un daño permanente a la fibra de nitinol.

Figura 5. Diagrama de conexiones eléctricas del prototipo. (Fuente: Ref. 3 “Nitinol´s Crystaline Structure”. www.imagesco.com/articles/nitinol/03.html0)

Galería Método

Resultados

9. INTERPRETACIÓN

Experimento 1.

Se demuestra la capacidad elástica y de memoria que presentan las aleaciones metálicas de níquel-titanio. Una vez que el metal memoriza su forma bajo ciertas condiciones de temperatura, en este caso programadas por el fabricante, siempre regresa a su forma original, esta precisión permite aplicaciones robóticas. Lo anterior es válido siempre y cuando el metal no se exponga a temperaturas fuera de su rango de operación ni se exceda su límite de elasticidad. Que como ya hemos visto en este este experimento van de temperatura ambiente a los 75°C aproximadamente y en el caso de la elasticidad nos dice la literatura que deformaciones mayores al 10% ya son permanentes.

Experimento 2.

Este experimento resulta muy ilustrativo de como se puede usar un alambre de aleación níquel-titanio en aplicaciones robóticas que simulan el movimiento de una fibra muscular como las que existen en los seres vivos en la naturaleza.

El prototipo es muy simple y consta de un soporte, una fibra de nitinol de 100 micrones de diámetro, es decir:

100 micrones = 0.100 mm

(un cabello humano tiene 50 micrones de diámetro, por lo que la fibra usada de nitinol tiene el doble de diámetro de un cabello humano)

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Las aleaciones de níquel-titanio, también conocidas como nitinol o biometal, tiene propiedades excepcionales comparadas con otros materiales, principalmente resaltan la biocompatibilidad con los tejidos vivos, por lo que son ampliamente usadas en aplicaciones médicas, y en la parte mecánica su gran elasticidad, aún deformaciones de 8 a 10% permiten regresar a su forma original mientras que otras aleaciones deformaciones de 0.2% son permanentes.

En el caso específico de este proyecto, los resultados experimentales demuestran las propiedades elásticas y de memoria de forma en un sentido como sucede en el primer experimento y en dos sentidos como se muestra en el segundo tal como se plantea en el objetivo. También la meta de ingeniería responde a la pregunta de investigación inicial de manera cualitativa pero sin ninguna duda, ya que el prototipo robótico utilizado en el experimento dos funciona en base la teoría que sustenta este trabajo.

Bibliografía

1. Gómez L., Algo; Díaz del Castillo R., Felipe “Nitinol, un biomaterial con memoria de forma”. Lab. Tecnología de Materiales, Departamento de Ingeniería. FES- Cuautitlán. UNAM, México. 2011 pp. 91

2. Quinayás B. Cesar A. “Diseño y construcción de una prótesis robótica de mano funcional adaptada a varios agarres”. Tesis de Maestría en Automática. Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones. Universidad de Cauca. Popayán, Colombia. 2010. Pág. 42

3. “Nitinol´s Crystaline Structure”. imagesco.com/articles/nitinol/03.html

4. “Nitinol” https://es.wikipedia.org/wiki/nitinol

5. “Nitinol´s technical data sheet” matweb.com

6. “Prototype instructive” kelloggsresearchlabs.com

Summary

Muscle fibers of nickel-titanium alloy for robotic application

Nickel and titanium metal alloys also known as Nitinol, in their equimolar proportions have properties such as: biocompatibility, which makes them excellent for medical and dental applications. Nickel Titanium Naval Artillery Laboratory (Nitinol) , as well as properties of superelasticity (they can reach up to 10% without losing their elastic property) and on the other hand they have shape memory (the material will return to its original form when its temperature changes, because these changes of temperature modify the crystal structure of the alloy leading to its form of martensite (cold) or austenite (hot) that makes them exceptional in a wide range of applications in the industry, and particularly in robotics.Nitinol wires have a great force, such as a wire of 0.02 inches (0.51 mm) can lift up to 16 pounds (7.26 kg) in many cycles without suffering permanent deformation, it is possible to use wires as actuators that simulate the muscle fibers of living beings, in robots. This work shows experimentally the possibilities that this technology will have in the development of the robots of the future.

Research Question

Problem approach

The metals individually possess properties that can be altered when combined with other materials, the nickel-titanium alloy has the plastic property to return to the original form that acquired at 600 degrees Celsius, ie, the material cold can be molded from Any way and by heating it slightly (70 ° C) will again return to its initial shape; With this sequence of cooling – to deflate – to heat and to return to its original form, it is possible to generate movement. The heat can be generated by passing an electric current through nickel-titanium filaments so that the control of the cycles is done very easily and allows to deform and retract the material with great precision.

Background

Objective

To demostrate the elastic properties of the nickel-titanium alloy that can be used in the construction of robots similar to the human muscles

Justification

For some decades now human beings have given up repetitive activities to machines, which by their specialization surpass us in speed and precision. From the use of electronic calculators and computers that perform operations in an agile and precise way to the big robots used in the construction of automobiles or in spaceships, today robots are increasingly present in our daily life and in the next years will continue Its development in an accelerated way, this type of alternatives will become increasingly accessible the construction of robots that simulate the motor structures of the animal kingdom. An important challenge in robots without cables, is an efficient energy consumption, to give them more time of independence; Nickel-titanium robotic muscle fibers could be a good substitute for highly energy demanding engines.

Hypothesis

Engineering goal

To display using a prototype of the cycle of deformation and return to its original shape of a wire made of nickel-titanium alloy capable of generating movement in a robotic structure.

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography