Robot acuático inspirado en criaturas marinas

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Unos investigadores de la Universidad de Northwestern han desarrollado un material original que actúa como un robot blando. Puede caminar a velocidad humana, recoger y transportar carga a un nuevo lugar, escalar colinas e incluso hacer break-dance para liberar una partícula.

Con casi un 90% de agua por unidad de peso, el robot del tamaño de un centímetro se mueve sin hardware complejo, hidráulica o electricidad. Al contrario, se activa con la luz y camina en la dirección de un campo magnético externo giratorio.

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 estos robots en miniatura para ayudar a catalizar diferentes reacciones químicas y luego bombear productos valiosos. Los robots también podrían diseñarse molecularmente para reconocer y eliminar activamente partículas no deseadas en entornos específicos, o para utilizar sus movimientos mecánicos y su locomoción para llevar con precisión sustancias bioterapéuticas o células a tejidos concretos.

«Los robots convencionales son típicamente máquinas pesadas con mucho hardware y electrónica que son incapaces de interactuar con seguridad con estructuras blandas, incluyendo a los humanos», dijo Samuel I. Stupp, quien dirigió la investigación experimental. «Hemos diseñado materiales blandos con inteligencia molecular para que se comporten como robots de cualquier tamaño y realicen funciones útiles en espacios diminutos, bajo el agua o bajo tierra».

«Combinando juntos los movimientos de marcha y dirección, podemos programar secuencias específicas de campos magnéticos, que operan remotamente el robot y lo dirigen para que siga caminos en superficies planas o inclinadas», añadió Mónica Olvera de la Cruz, quien dirigió el trabajo teórico. «Esta característica programable nos permite dirigir el robot a través de pasajes estrechos con rutas complejas».

La investigación se publicó en la revista Science Robotics.

El estudio se basa en un trabajo previo de Stupp para diseñar «materia blanda robótica» que imite a criaturas marinas vivas. 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 al robot caminar a la velocidad humana, aproximadamente un paso por segundo, y responder a los campos magnéticos que conducen a estos materiales a seguir trayectorias específicas.

Acoplando las respuestas a los campos luminosos y magnéticos, los investigadores diseñaron un robot que también puede recoger carga y entregarla en un destino caminando o rodando. Luego deja caer la carga en la nueva ubicación ya sea invirtiendo su forma – permitiendo que las cargas blandas se deslicen suavemente del robot – o realizando un «break dance» giratorio para desalojar y liberar objetos más pegajosos.

«El diseño de los nuevos materiales que imitan a criaturas vivas permite no solo una respuesta más rápida sino también la realización de funciones más sofisticadas», dijo Stupp. «Podemos cambiar la forma y agregar piernas a las criaturas sintéticas, y dar a estos materiales sin vida nuevos andares y comportamientos más inteligentes. Esto los hace muy versátiles y dispuestos a realizar diferentes tareas».

El secreto del movimiento preciso y la agilidad del robot radica en su estructura llena de agua y en el esqueleto incrustado de unos filamentos de níquel alineados que son ferromagnéticos. El componente blando es una red diseñada molecularmente con piezas que le permiten responder a la luz, retener o expulsar el agua en su interior, y que tienen la rigidez adecuada para responder rápidamente a los campos magnéticos.

El equipo de Northwestern utilizó síntesis química para programar las moléculas dentro del hidrogel para que respondieran a la luz. Cuando se exponen a ella, las moléculas del robot se vuelven hidrofóbicas (repelen el agua), causando que las moléculas de agua escapen. Esta conversión hace que el robot «cobre vida» al doblarse de una posición plana a «estar de pie». Los investigadores descubrieron que esta flexión permite que el material responda rápidamente a los campos magnéticos giratorios, activando su capacidad de 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 se lo indique un LED.

Cuando se expone a campos magnéticos rotativos, el esqueleto incrustado en el robot doblado ejerce fuerzas cíclicas sobre la red molecular blanda y activa las piernas. El campo giratorio puede ser programado para mover el robot a lo largo de un camino predeterminado.

Stupp y Olvera de la Cruz imaginan que estos materiales robóticos blandos podrían llegar a ser utilizados para crear objetos para muchas aplicaciones, incluyendo la producción química, nuevas herramientas para tecnologías importantes para el medio ambiente o como biomateriales inteligentes para una medicina altamente avanzada.

Con información de: Noticias de la Ciencia

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