Aplicaciones en ortopedia de los materiales con memoria de forma

En la División Física de Metales del CAB se cuenta con una extensa experiencia en materiales con memoria de forma (SMA). Estos materiales presentan propiedades mecánicas particulares, que los hacen muy interesantes para aplicaciones en ortopedia y medicina, como se ilustra a continuación con algunos ejemplos de los temas que se están investigando.

¿Qué ocurre cuando se aplica una carga mecánica a una SMA?

Consideremos por ejemplo lo que ocurre cuando se impone una deformación \(\\Delta l\) sobre un cuerpo (unidimensional) cualquiera. A medida que la deformación aplicada es mayor, mayor es el esfuerzo $F$ que debe aplicarse para sostenerla. En un material típico de ingeniería, esta relación es lineal y está limitada por la deformación plástica del mismo. Los materiales con memoria de forma exhiben un comportamiento especial: llegado un nivel de deformación (o de carga aplicada), la deformación puede continuar hasta cerca de un 8 % de la longitud inicial del cuerpo sin un incremento significativo de la carga aplicada (decimos que el comportamiento es pseudoelástico). Si ahora redujéramos la deformación aplicada, veríamos que la ocurre algo similar en sentido
inverso, como se muestra en la figura siguiente \(\\Downarrow\)

Ejemplo del comportamiento pseudoelástico en SMAs

¿Para qué serviría esto?

Esta propiedad es de interés para aplicaciones en que es necesario mantener un esfuerzo de manera sostenida en el tiempo, sobre puntos que se desplazan apreciablemente. Consideremos por ejemplo el caso de una deformidad del pie en equinovaro:

Deformidad del pie en equinovaro

Esta deformidad se caracteriza por una desviación en extensión (flecha azul), acompañada por una desviación en varo (flecha roja), acompañada frecuentemente por una supinación (flecha verde). La potencialidad de las aleaciones con memoria de forma para tratar este tipo de problemas reside en que es posible hacer una ortesis capaz de ejercer un esfuerzo correctivo aproximadamente constante, manteniendo la carga aplicada a medida que progresa la corrección, sin necesidad de realizar ajustes, como ocurre con los materiales convencionales, como se ilustra a continuación:

Ortesis para el tratamiento de deformidades del pie

En la división se trabaja en soluciones para este y otros problemas de similares características, como son:

¿Y si ahora aumentamos la temperatura de la aleación?

Si ahora aumentáramos la temperatura de una SMA que ha sido deformada hasta entrar en régimen pseudoelástico, sin variar su deformación, observaríamos que la carga que es necesario sostener aumenta. Este calentamiento podría hacerse por ejemplo por efecto Joule, al hacer pasar una corriente eléctrica por el mismo. Esto se muestra esquemáticamente en la figura siguiente, en que la carga se mueve del punto (1) al punto (2):

fecto del aumento de la temperatura en un SMA

¿Y con esto?

El efecto descrito anteriormente muestra una de las potencialidades más grandes de las SMAs. Con alambres o cintas de estos materiales es posible hacer actuadores muy compactos, que permitan aplicar una carga controlada sobre un miembro o una prótesis, para asistir el movimiento de una parte del cuerpo, por ejemplo una mano:

Actuador SMA para asistir el movimiento de una mano

Se está estudiando cómo utilizar el principio aquí ilustrado también para el desarrollo de ortesis activas de asistencia a la marcha.

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Investigadora Independiente del CONICET

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Investigador de la CNEA, Principal A, TNG: 2-20 | Investigador Principal del CONICET