Robots plegables a nanoescala revolucionarios: aprovechando actuadores de memoria de forma

Un robot nanosizado totalmente funcional requiere circuitos electrónicos, fotovoltaicos, sensores y antenas. Pero si el robot necesita moverse, debe ser capaz de doblarse. Los investigadores han creado actuadores de memoria de forma de tamaño micron que permiten a materiales bidimensionales atómicamente delgados plegarse en configuraciones 3D. Todo lo que requieren es un pulso rápido de voltaje. Y una vez que el material está doblado, mantiene su forma incluso después de que se elimina el voltaje.

Imagina un millón de robots microscópicos fabricados liberándose de una oblea que se pliegan en forma, se arrastran libres y se ocupan de sus tareas, incluso ensamblando en estructuras más complicadas. El actuador de memoria de forma de los robots puede impulsarse con voltaje y mantener una forma doblada.

Los actuadores pueden doblarse con un radio de curvatura menor a una micra — las curvaturas más altas de cualquier actuador impulsado por voltaje por un orden de magnitud. Esta flexibilidad es importante porque uno de los principios básicos de la fabricación de robots microscópicos es que el tamaño del robot está determinado por qué tan pequeños pueden hacerse los diversos apéndices para plegarse. Cuanto más ajustados los dobleces, más pequeños los pliegues, y más pequeña la huella para cada máquina. También es importante que estos dobleces puedan ser mantenidos por el robot, lo que minimiza el consumo de energía — una característica especialmente ventajosa para robots y máquinas microscópicas.

Los dispositivos consisten en una capa de platino de nanómetro de espesor cubierta con una película de titanio o dióxido de titanio. Varios paneles rígidos de vidrio de dióxido de silicio se sientan encima de esas capas. Cuando se aplica un voltaje positivo a los actuadores, los átomos de oxígeno son impulsados al platino y cambian lugares con átomos de platino. Este proceso, llamado oxidación, hace que el platino se expanda en un lado en las costuras entre los paneles de vidrio inertes, lo que dobla la estructura en su forma predesignada. Las máquinas pueden mantener esa forma incluso después de que se elimina el voltaje porque los átomos de oxígeno incrustados se agrupan para formar una barrera, que les impide difundirse hacia afuera.

Al aplicar un voltaje negativo al dispositivo, los investigadores pueden remover los átomos de oxígeno y restaurar rápidamente el platino a su estado prístino. Y al variar el patrón de los paneles de vidrio — y si el platino está expuesto en la parte superior o inferior — pueden crear una gama de estructuras de origami actuadas por pliegues de montaña y valle.

Las diminutas capas tienen unos 30 átomos de espesor, comparado con una hoja de papel que podría tener 100.000 átomos de espesor. Las máquinas se pliegan en 100 milisegundos. También pueden aplanarse y replegarse miles de veces. Y solo necesitan un solo voltio para ser alimentadas a la vida.

El equipo está trabajando actualmente para integrar los actuadores de memoria de forma con circuitos para hacer robots caminantes con patas plegables así como robots tipo lámina que se mueven ondulando hacia adelante. Estas innovaciones podrían algún día llevar a nanorobots que puedan limpiar infecciones bacterianas de tejido humano, micro-fábricas que puedan transformar la manufactura, e instrumentos quirúrgicos robóticos que sean diez veces más pequeños que los dispositivos actuales.