Los bloques reprogramables estilo Lego emulan la flexibilidad de la vida

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Xiaoyue Ni observa a un pez robótico con una cola reprogramable nadar en una pecera. La prueba de demostración podría conducir a materiales con propiedades materiales reprogramables que podrían funcionar dentro de cuerpos humanos o dispositivos electrónicos. (Imagen:Cortesía de los investigadores)

Ingenieros mecánicos de la Universidad de Duke han demostrado un método de prueba de concepto para programar propiedades mecánicas en bloques de construcción sólidos similares a Lego. Al controlar la solidez de cientos de células individuales en patrones específicos, el enfoque podría permitir que la robótica futurista altere sus propiedades mecánicas y funcionalidades sobre la marcha.

En sus pruebas iniciales, los investigadores muestran cómo un rayo 3D en forma de cola con varias configuraciones puede mover un pez robótico a través del agua a lo largo de diferentes caminos con la misma actividad motora. El equipo imagina versiones miniaturizadas de la tecnología que podrían, por ejemplo, maniobrar a través de los vasos sanguíneos para controlar su salud o incluso reconfigurarse para formar un stent adaptativo.

"Queremos crear materiales que estén vivos", explicó Yun Bai, primer autor del artículo y doctorado. Estudiante en el laboratorio de Xiaoyue Ni, profesor asistente de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales en Duke. "Las impresoras 3D pueden crear materiales con propiedades mecánicas específicas, pero hay que repetir la impresión para cambiarlas. Queríamos crear algo parecido a músculos humanos que pudieran cambiar su rigidez en tiempo real".

Para que esto suceda, los investigadores llenaron células individuales con una receta de galio y hierro. A temperatura ambiente, este compuesto metálico puede ser sólido o líquido. Comenzando como un sólido completo, los investigadores pueden aplicar calor con una corriente eléctrica para licuar cualquier patrón de células, casi como escribir y almacenar unos y ceros en un disco duro.

En dos dimensiones, el material resultante es esencialmente una lámina delgada que se puede programar para cambiar con precisión la rigidez y la amortiguación sin alterar su forma o geometría. El material fue sometido a pruebas exhaustivas y mostró una gran flexibilidad para imitar una variedad de materiales blandos disponibles comercialmente, desde plásticos hasta cauchos.

El concepto, sin embargo, se vuelve aún más interesante en tres dimensiones. En su demostración, los investigadores crearon bloques de construcción similares a Lego que se pueden pegar y despegar en cualquier configuración. Cada bloque se asemeja a un cubo de Rubik que contiene 27 celdas individuales, cada una de las cuales puede licuarse mediante calor localizado proveniente de una señal eléctrica. "Esto nos da la flexibilidad de crear estructuras 3D con diferentes propiedades mecánicas", dijo Bai. "Y congelar los bloques a cero grados restablece todas las celdas a su estado sólido para que su configuración pueda reprogramarse una y otra vez".

En el artículo, los investigadores unieron 10 de estos cubos en una columna recta para crear una especie de cola programable, la conectaron a un motor simple dentro de un pez robótico y probaron las habilidades de natación de varias configuraciones. El mismo pez robótico con diferentes disposiciones de células sólidas en la cola mostró trayectorias de natación muy diferentes.

A partir de esta plataforma, los investigadores imaginan el uso de diferentes metales para crear diferentes puntos de congelación y fusión que podrían permitir que estos materiales se utilicen, por ejemplo, dentro de un cuerpo humano. También creen que la configuración podría miniaturizarse para funcionar dentro de límites diminutos, como vasos sanguíneos humanos o sistemas electrónicos delicados.

"Nuestro objetivo es eventualmente construir sistemas más grandes utilizando materiales compuestos", dijo Ni. "Queremos construir materiales flexibles y programables para robótica que les permitan realizar una amplia variedad de tareas en una amplia variedad de entornos".

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