Toward bioinspired artificial muscle fascicles based on liquid crystal elastomers

Abstract

Musculoskeletal disorders (MSDs) are a prevalent global health issue, affecting 21% of theworld’s population. These conditions not only impact the economy but also severely diminishthe quality of life for those affected, often resulting in muscle weakness that hinders dailyactivities.The field of robotics has emerged as a promising solution to address the challenges posedby MSDs, with the design and development of assistive devices (ADs) aimed at restoringindependence and improving the self-image of individuals with these disorders. While traditionalhard robotics have made significant strides in AD design, certain limitations, suchas the use of heavy materials, persist. In recent years, soft artificial muscles (AMs) havegarnered attention as a potential remedy to these issues.This master’s thesis investigates the feasibility of implementing a polymer-based, liquidcrystal elastomer (LCE) artificial muscle in orthotic devices to address the challenges posedby MSDs. The study explores four different fabrication methods for these LCE artificialmuscles: manual extrusion, 3D printer-based extrusion, electrospinning and mold injection.These methods were evaluated based on their actuation capabilities, with fibers fabricatedby manual extrusion achieving an actuation stroke of up to 40.99%, by 3D printer-basedextrusion of up to 34.75%, electrospun fibers of up to 44.2%, and mold-injected fibers of upto 17.14%.The results of this research contribute to the development of soft artificial muscles andhold significant promise for the future of assistive devices (ADs) with the objective of rehabilitationin managing and improving the lives of individuals suffering from MSDs.

As doenças musculoesqueléticas (DMEs) representam um problema de saúde global prevalente,afetando 21% da população mundial. Essas condições não apenas impactam a economia,mas também diminuem significativamente a qualidade de vida daqueles afetados, muitasvezes resultando em fraqueza muscular que dificulta as atividades diárias.O campo da robótica emergiu como uma solução promissora para enfrentar os desafiosapresentados pelas DMEs, com o projeto e desenvolvimento de dispositivos assistivos (DAs)destinados a restaurar a independência e melhorar a autoimagem de indivíduos com essascondições. Embora a robótica rígida tradicional tenha avançado significativamente no designde DAs, certas limitações, como o uso de materiais pesados, persistem. Nos últimos anos,os músculos artificiais flexíveis (AMs) têm recebido atenção como uma possível solução paraesses problemas.Esta tese de mestrado investiga a viabilidade de implementar um músculo artificial à basede elastômero de cristal líquido (LCE) em dispositivos ortóticos para enfrentar os desafiosapresentados pelas DMEs. O estudo explora quatro diferentes métodos de fabricação paraesses músculos artificiais de LCE: extrusão manual, extrusão através de impressora 3D,eletrofiação e moldagem. Esses métodos foram avaliados com base em suas capacidadesde atuação, com fibras fabricadas por extrusão manual alcançando uma atuação de até40.99%, fibras extrudidas com impressora 3D alcançando uma atuação de até 34,75%, fibraseletrofiadas de até 44,2% e fibras moldadas de até 17,14%.Os resultados desta pesquisa contribuem para o desenvolvimento de músculos artificiaisflexíveis e demonstra seu potencial para o futuro de dispositivos assistivos (DAs) com oobjetivo de reabilitação, no sentido de gerir e melhorar a qualidade de vida de indivíduosque sofrem de DMEs.