Bloques reprogramables tipo Lego emulan la flexibilidad de los sistemas vivos

Motion Design INSIDER

Xiaoyue Ni observa un pez robótico con cola reprogramable nadando en un acuario. La demostración de concepto podría llevar a materiales con propiedades reprogramables que funcionen dentro de cuerpos humanos o dispositivos electrónicos. (Imagen: Cortesía de los investigadores)

Programación de propiedades mecánicas en bloques sólidos

Ingenieros mecánicos de la Universidad de Duke han demostrado un método de prueba de concepto para programar propiedades mecánicas en bloques de construcción sólidos tipo Lego. Al controlar la solidez de cientos de celdas 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 una viga 3D similar a una cola con diversas configuraciones puede mover un pez robótico a través del agua por diferentes trayectorias con la misma actividad del motor. El equipo visualiza versiones miniaturizadas de la tecnología que podrían, por ejemplo, maniobrar a través de vasos sanguíneos para inspeccionar su salud o incluso reconfigurarse para formar un stent adaptativo.

"Queremos crear materiales que estén vivos", explicó Yun Bai, primer autor del artículo y estudiante de doctorado en el laboratorio de Xiaoyue Ni, profesora asistente de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales en Duke. "Las impresoras 3D pueden crear materiales con propiedades mecánicas específicas, pero tienes que volver a imprimir para cambiarlas. Queríamos crear algo como los músculos humanos que puedan cambiar su rigidez en tiempo real".

Compuesto de galio-hierro como medio programable

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

En dos dimensiones, el material resultante es esencialmente una lámina delgada que puede programarse para cambiar precisamente la rigidez y el amortiguamiento sin alterar su forma o geometría. El material fue probado exhaustivamente, mostrando una gran flexibilidad para imitar una gama de materiales blandos comerciales, desde plásticos hasta gomas.

Bloques 3D tipo cubo de Rubik reconfigurables

El concepto se vuelve aún más interesante en tres dimensiones. En su demostración, los investigadores crearon bloques de construcción tipo Lego que pueden pegarse y despegarse 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 de una señal eléctrica. "Esto nos da la flexibilidad para crear estructuras 3D con diferentes propiedades mecánicas", dijo Bai. "Y congelar los bloques a cero grados reinicia 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 arreglos de celdas sólidas en la cola mostró trayectorias de natación muy diferentes.

Hacia aplicaciones biomédicas y electrónicas

Basándose en esta plataforma, los investigadores visualizan el uso de diferentes metales para crear distintos puntos de congelación y fusión que permitan usar estos materiales, por ejemplo, dentro del cuerpo humano. También creen que la configuración podría miniaturizarse para funcionar en espacios diminutos como vasos sanguíneos humanos o sistemas electrónicos delicados.

"Nuestro objetivo es eventualmente construir sistemas más grandes usando los 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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