FUENTE: www.news.northwestern.edu
AUTORA: AMANDA MORRIS
Los investigadores de la Universidad Northwestern han desarrollado un material similar a la vida, el primero de su tipo, que actúa como un robot blando. Puede caminar a la velocidad humana, recoger y transportar carga a una nueva ubicación, subir colinas e incluso hacer break dance para liberar una partícula.
Con casi un 90% de su peso en agua, el robot del tamaño de un centímetro se mueve sin hardware complejo, sistemas hidráulicos o electricidad. En cambio, es activado por la luz y camina en la dirección de un campo magnético giratorio externo.
Parecido a un pulpo de cuatro patas, el robot funciona dentro de un tanque lleno de agua, lo que lo hace ideal para su uso en entornos acuáticos. Los investigadores imaginan personalizar los movimientos de robots en miniatura para ayudar a catalizar diferentes reacciones químicas y luego bombear los productos. Los robots también podrían diseñarse molecularmente para reconocer y eliminar activamente partículas no deseadas en entornos específicos, o para usar sus movimientos mecánicos y locomoción para administrar con precisión bioterapéutica o células a tejidos específicos.
“Los robots convencionales suelen ser máquinas pesadas con gran cantidad de hardware y componentes electrónicos que no pueden interactuar de manera segura con estructuras blandas, incluidos los humanos”, dijo Samuel I. Stupp , quien dirigió la investigación experimental. “Hemos diseñado materiales blandos con inteligencia molecular para permitirles comportarse como robots de cualquier tamaño y realizar funciones útiles en espacios diminutos, bajo el agua o bajo tierra”.
“Al combinar los movimientos de caminar y de dirección juntos, podemos programar secuencias específicas de campos magnéticos, que operan de forma remota el robot y lo dirigen para que siga caminos en superficies planas o inclinadas”, agregó Mónica Olvera de la Cruz , quien dirigió el trabajo teórico. «Esta función programable nos permite dirigir el robot a través de pasajes estrechos con rutas complejas«.
La investigación fue publicada en la revista Science Robotics.
Stupp es profesor de la Junta Directiva de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química, Medicina e Ingeniería Biomédica en Northwestern. Tiene nombramientos en McCormick School of Engineering , Weinberg College of Arts and Sciences y Feinberg School of Medicine . Olvera de la Cruz es Lawyer Taylor Professor de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Química e Ingeniería Química y Biológica en McCormick.
Stupp y Olvera de la Cruz también son director y subdirector, respectivamente, del Center for Bio-Inspired Energy Science , un Energy Frontier Research Center con sede en el noroeste financiado por el Departamento de Energía de EE. UU.
Nuevos avances
El estudio se basa en el trabajo anterior de Stupp para diseñar «materia blanda robótica» que imita a las criaturas marinas vivientes. En el estudio anterior, publicado a principios de 2020, el material robótico podía doblarse en escalas de tiempo de minutos y arrastrarse sobre una superficie dando un paso cada 12 horas. Ahora, el avance actual permite que el robot camine a la velocidad humana, aproximadamente un paso por segundo, y responda a los campos magnéticos que dirigen estos materiales para seguir trayectorias específicas.
Al acoplar las respuestas a los campos de luz y magnéticos, los investigadores diseñaron un robot que también puede recoger carga y llevarla a un destino caminando o rodando. Luego deja caer la carga en la nueva ubicación ya sea invirtiendo su forma, lo que permite que las cargas útiles se deslicen suavemente fuera del robot, o realizando un “break dance” giratorio para desalojar y liberar objetos más pegajosos.
“El diseño de los nuevos materiales que imitan a los seres vivos permite no solo una respuesta más rápida sino también el desempeño de funciones más sofisticadas”, dijo Stupp. “Podemos cambiar la forma y agregar patas a las criaturas sintéticas, y darles a estos materiales reales nuevos modos de caminar y comportamientos más inteligentes. Esto los hace muy versátiles y aptos para diferentes tareas «.
Cómo funciona
El secreto del movimiento preciso y la agilidad del robot radica en su estructura llena de agua y el esqueleto incrustado de filamentos de níquel alineados que son ferromagnéticos. El componente blando es una red de diseño molecular con partes que le permiten responder a la luz, retener o expulsar agua en su interior, y tienen la rigidez justa para responder rápidamente a los campos magnéticos.
El equipo de Northwestern usó síntesis química para programar las moléculas dentro del hidrogel para responder a la luz. Cuando se exponen a la luz, las moléculas del robot se vuelven hidrofóbicas (repelen el agua), lo que hace que las moléculas de agua escapen. Esta conversión hace que el robot «cobre vida» al inclinarse desde una posición plana a «estar de pie». Los investigadores descubrieron que esta flexión permite que el material responda rápidamente a los campos magnéticos giratorios, lo que activa su capacidad para caminar rápido. Cuando la luz se apaga, las moléculas vuelven a su estado original y el robot se aplana, pero está listo en cualquier momento para un nuevo ciclo de actividad bajo un campo magnético cuando lo indica un LED.
El nuevo robot blando es 90% de su peso en agua. Cuando se expone a campos magnéticos giratorios, el esqueleto incrustado en el robot doblado ejerce fuerzas cíclicas sobre la red molecular blanda y activa las piernas. El campo giratorio se puede programar para que el robot navegue por una ruta predeterminada.
“Usando la teoría y el cálculo, podemos calcular la respuesta a los campos magnéticos y de luz”, dijo Olvera de la Cruz. «Esto nos permite predecir y programar trayectorias de caminata con gran precisión«.
Aplicaciones futuras
Stupp y Olvera de la Cruz imaginan que estos materiales robóticos blandos podrían usarse potencialmente para crear objetos para muchas aplicaciones, incluida la producción química, nuevas herramientas para tecnologías ambientalmente importantes o como biomateriales inteligentes para la medicina altamente avanzada.
“Con el tiempo, nos gustaría crear ejércitos de microrobots que pudieran realizar una tarea complicada de forma coordinada”, dijo Stupp. “Podemos modificarlos molecularmente para interactuar entre sí e imitar el enjambre de aves y bacterias en la naturaleza o bancos de peces en el océano. La versatilidad molecular de la plataforma podría conducir a aplicaciones que no se han concebido en este momento «.
El estudio, «Locomoción rápida y programable de híbridos de hidrogel-metal bajo campos luminosos y magnéticos», fue apoyado por el Centro de Ciencias Energéticas Bioinspiradas, un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas financiado por la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU.
El becario postdoctoral Chuang Li y el estudiante de posgrado Garrett Lau del laboratorio Stupp y Hang Yuan, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Olvera de la Cruz, son los autores principales del artículo. Otros coautores incluyen a los miembros de la facultad de Northwestern Danna Freedman y Pedram Khalili.
