05 de diciembre de 2023 (Noticias de Nanowerk) La robótica blanda ha tentado a los investigadores con su promesa de máquinas que pueden meterse en espacios reducidos, manipular objetos frágiles e interactuar intuitivamente con los humanos. Sin embargo, aprovechar este potencial sigue siendo un objetivo difícil de alcanzar debido a las limitaciones en los materiales y métodos utilizados para accionar estos dispositivos flexibles. Los componentes rígidos, como los motores, restringen el movimiento, mientras que los actuadores blandos luchan por equilibrar la fuerza, la velocidad y la longevidad. Ahora los científicos han desarrollado tiras de metal líquido "protoplásmico" bioinspiradas que pueden programarse para girar, doblarse y agitarse con precisión al exponerse a la luz. Este avance puede finalmente liberar la versatilidad necesaria para que los robots blandos se arrastren, agarren y aleteen en aplicaciones del mundo real. Los hallazgos han sido publicados en Materiales funcionales avanzados (“Actuadores fototérmicos de metal líquido programables inspirados en Zarcillos para robots blandos”).
a) Diagrama esquemático de preparación de película LM/PI. b) Fotografía y diagrama esquemático de la estructura de la vid. c) Análisis de fuerza de contracción y flexión de la cinta de PTFE en uso. d) El actuador fototérmico LM/PI/PTFE se prepara ensamblando cinta de PTFE y película LM/PI. e) Relación entre el radio de curvatura y el ángulo de montaje de actuadores fototérmicos LM/PI/PTFE. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Para mejorar aún más el avance, el estudio destaca las propiedades y capacidades excepcionales de los componentes metálicos líquidos a base de galio. Estos materiales equilibran de manera única una alta conductividad eléctrica y térmica con la fluidez de un líquido de baja viscosidad. Su capacidad para formar una capa de óxido atómicamente delgada garantiza la no toxicidad y la resistencia a la oxidación, algo crucial para una aplicación segura y duradera. Esta integración innovadora en películas de polímero da como resultado un compuesto que no solo mantiene la flexibilidad del material base sino que también agrega una capacidad de respuesta fototérmica significativa. Sorprendentemente, los resultados experimentales subrayan la robustez y eficiencia de estos materiales. Se ha demostrado que los laminados con infusión de metal líquido levantan objetos 48 veces su propio peso, lo que demuestra su notable resistencia. Además, su resistencia se evidencia por su rendimiento constante durante 2000 ciclos de movimiento, lo que equivale a más de diez horas de funcionamiento continuo. Esta combinación de resistencia y durabilidad marca un avance significativo en el campo de la robótica blanda y promete una nueva era de sistemas robóticos altamente capaces y versátiles. El desafío permanente para la robótica blanda ha sido encontrar actuadores que igualen la versatilidad del músculo natural. Materiales como las aleaciones con memoria de forma y los polímeros recuperan sus formas moldeadas cuando se calientan, pero las formas temporales carecen de permanencia. Hidrogeles y los elastómeros de cristal líquido pueden crear configuraciones sostenidas mediante hinchamiento y ordenamiento molecular, pero estas transiciones tienden a ser unidireccionales. Y los intentos de integrar componentes rígidos como motores y baterías anulan la ventaja clave de los sistemas blandos. La dificultad para programar movimientos reversibles complejos sin elementos duros ha sofocado el progreso.
Afortunadamente, varios avances recientes han preparado a la robótica blanda para un nuevo intento de avance. Los metales líquidos a base de galio combinan de manera única una alta conductividad eléctrica y térmica con la fluidez de un fluido de baja viscosidad. Sus propiedades inusuales provienen de la fácil formación de una capa atómicamente delgada de óxido de galio que no otorga toxicidad, inhibe una mayor oxidación y proporciona suficiente tensión superficial para conservar la forma.
Los investigadores descubrieron recientemente que este tensioactivo que se forma espontáneamente permite la incorporación de gotas de metal líquido a microescala en películas de polímero flexible. Los compuestos resultantes preservan la elasticidad del huésped al tiempo que adquieren capacidades fototérmicas. En otras palabras, se les puede entrenar para que se muevan en respuesta a la luz.
El último estudio demuestra la programación de una increíble diversidad de configuraciones sostenidas y reversibles en tiras de polímeros incrustadas en metal líquido. El equipo le da crédito a la bioinspiración por su solución inteligente. Replicaron los zarcillos enrollados de las plantas trepadoras colocando tiras en capas con una cinta "protoplásmica" exterior diseñada para contraerse y doblarse cuando se estimula. Esta estructura bicapa imita cierta actividad celular que hace que los zarcillos de la vid se giren hacia los soportes a medida que crece.
Mediante una cuidadosa fabricación de laminados y un calentamiento estratégico por láser, los investigadores produjeron películas capaces de curvarse firmemente en espirales, flexionarse suavemente para abrirse o realizar una transición suave entre estados, manteniendo cada forma hasta que se les solicite transformarse nuevamente.
Al imprimir patrones complejos y ajustar parámetros del laminado, como orientaciones de películas y proporciones de componentes, el equipo creó una extraordinaria paleta de movimientos preprogramables. Su solución de metal líquido permite la creación rápida de prototipos de máquinas blandas adaptadas a tareas complejas como retorcerse, caminar, agarrar y nadar.
Para demostrar la adaptabilidad, los investigadores construyeron un brazo con punta de garra que secuencialmente se extiende, se cierra para recoger un objeto, lo levanta y luego lo vuelve a colocar. Una manipulación tan hábil sigue siendo imposible para los robots blandos convencionales. Estas impresionantes capacidades surgen de la combinación bioinspirada de una tira de soporte que bloquea la forma y una capa contráctil similar a un protoplasma unidas en arreglos específicos.
Esta investigación proporciona un modelo interesante para robots blandos especializados que sean a la vez fuertes y ágiles. El equipo confirmó que sus laminados de metal líquido pueden levantar objetos 48 veces su peso y funcionar de manera confiable después de 2000 ciclos de movimiento, durante diez horas continuas. Dicha resiliencia surge del componente polimérico de alto rendimiento, mientras que las partículas de metal líquido incrustadas aportan suficiente calor y una adhesión robusta. Juntas, estas propiedades pueden finalmente superar las limitaciones de robustez que afectan a la robótica blanda.
Los autores también formularon un modelo computacional que predice con precisión la flexión de los laminados en respuesta a las entradas de láser. Esta herramienta de simulación permite diseñar movimientos personalizados a través de prototipos de software y obtener una vista previa de los parámetros físicos necesarios antes de la fabricación.
A través de este enfoque simplificado, los investigadores pudieron concebir e iterar rápidamente adaptaciones originales como zancudos acuáticos fotodirigidos, gusanos pulgadas y aleteos de mariposa. Ahora es posible imaginar y hacer realidad migraciones, manipulaciones y gestos más complejos.
Este estudio destaca cómo la sinergia entre la comprensión de la naturaleza y el avance de la tecnología puede impulsar la innovación. Los investigadores emularon procesos biológicos adaptativos perfeccionados a través de la evolución para crear actuadores dinámicos basados en metales líquidos utilizando métodos computacionales y de nanofabricación modernos.
El trabajo promete robots blandos personalizables que pueden manejar mejor el desorden del mundo real. Dado que los materiales y la técnica de fabricación proporcionan altos grados de libertad con baja complejidad, puede surgir una nueva facilidad para crear prototipos de dispositivos con capacidad de respuesta altamente integrada.
Estos “músculos” de metal líquido podrían algún día alimentar ágiles serpientes de búsqueda y rescate que se escurran a través de grietas, suaves pinzas para recoger cultivos que eviten hematomas, zapatillas de deporte intuitivas y portátiles que guíen los movimientos humanos y aplicaciones similares que exijan adaptabilidad.
a) Diagrama esquemático de preparación de película LM/PI. b) Fotografía y diagrama esquemático de la estructura de la vid. c) Análisis de fuerza de contracción y flexión de la cinta de PTFE en uso. d) El actuador fototérmico LM/PI/PTFE se prepara ensamblando cinta de PTFE y película LM/PI. e) Relación entre el radio de curvatura y el ángulo de montaje de actuadores fototérmicos LM/PI/PTFE. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) Para mejorar aún más el avance, el estudio destaca las propiedades y capacidades excepcionales de los componentes metálicos líquidos a base de galio. Estos materiales equilibran de manera única una alta conductividad eléctrica y térmica con la fluidez de un líquido de baja viscosidad. Su capacidad para formar una capa de óxido atómicamente delgada garantiza la no toxicidad y la resistencia a la oxidación, algo crucial para una aplicación segura y duradera. Esta integración innovadora en películas de polímero da como resultado un compuesto que no solo mantiene la flexibilidad del material base sino que también agrega una capacidad de respuesta fototérmica significativa. Sorprendentemente, los resultados experimentales subrayan la robustez y eficiencia de estos materiales. Se ha demostrado que los laminados con infusión de metal líquido levantan objetos 48 veces su propio peso, lo que demuestra su notable resistencia. Además, su resistencia se evidencia por su rendimiento constante durante 2000 ciclos de movimiento, lo que equivale a más de diez horas de funcionamiento continuo. Esta combinación de resistencia y durabilidad marca un avance significativo en el campo de la robótica blanda y promete una nueva era de sistemas robóticos altamente capaces y versátiles. El desafío permanente para la robótica blanda ha sido encontrar actuadores que igualen la versatilidad del músculo natural. Materiales como las aleaciones con memoria de forma y los polímeros recuperan sus formas moldeadas cuando se calientan, pero las formas temporales carecen de permanencia. Hidrogeles y los elastómeros de cristal líquido pueden crear configuraciones sostenidas mediante hinchamiento y ordenamiento molecular, pero estas transiciones tienden a ser unidireccionales. Y los intentos de integrar componentes rígidos como motores y baterías anulan la ventaja clave de los sistemas blandos. La dificultad para programar movimientos reversibles complejos sin elementos duros ha sofocado el progreso.
Afortunadamente, varios avances recientes han preparado a la robótica blanda para un nuevo intento de avance. Los metales líquidos a base de galio combinan de manera única una alta conductividad eléctrica y térmica con la fluidez de un fluido de baja viscosidad. Sus propiedades inusuales provienen de la fácil formación de una capa atómicamente delgada de óxido de galio que no otorga toxicidad, inhibe una mayor oxidación y proporciona suficiente tensión superficial para conservar la forma.
Los investigadores descubrieron recientemente que este tensioactivo que se forma espontáneamente permite la incorporación de gotas de metal líquido a microescala en películas de polímero flexible. Los compuestos resultantes preservan la elasticidad del huésped al tiempo que adquieren capacidades fototérmicas. En otras palabras, se les puede entrenar para que se muevan en respuesta a la luz.
El último estudio demuestra la programación de una increíble diversidad de configuraciones sostenidas y reversibles en tiras de polímeros incrustadas en metal líquido. El equipo le da crédito a la bioinspiración por su solución inteligente. Replicaron los zarcillos enrollados de las plantas trepadoras colocando tiras en capas con una cinta "protoplásmica" exterior diseñada para contraerse y doblarse cuando se estimula. Esta estructura bicapa imita cierta actividad celular que hace que los zarcillos de la vid se giren hacia los soportes a medida que crece.
Mediante una cuidadosa fabricación de laminados y un calentamiento estratégico por láser, los investigadores produjeron películas capaces de curvarse firmemente en espirales, flexionarse suavemente para abrirse o realizar una transición suave entre estados, manteniendo cada forma hasta que se les solicite transformarse nuevamente.
Al imprimir patrones complejos y ajustar parámetros del laminado, como orientaciones de películas y proporciones de componentes, el equipo creó una extraordinaria paleta de movimientos preprogramables. Su solución de metal líquido permite la creación rápida de prototipos de máquinas blandas adaptadas a tareas complejas como retorcerse, caminar, agarrar y nadar.
Para demostrar la adaptabilidad, los investigadores construyeron un brazo con punta de garra que secuencialmente se extiende, se cierra para recoger un objeto, lo levanta y luego lo vuelve a colocar. Una manipulación tan hábil sigue siendo imposible para los robots blandos convencionales. Estas impresionantes capacidades surgen de la combinación bioinspirada de una tira de soporte que bloquea la forma y una capa contráctil similar a un protoplasma unidas en arreglos específicos.
Esta investigación proporciona un modelo interesante para robots blandos especializados que sean a la vez fuertes y ágiles. El equipo confirmó que sus laminados de metal líquido pueden levantar objetos 48 veces su peso y funcionar de manera confiable después de 2000 ciclos de movimiento, durante diez horas continuas. Dicha resiliencia surge del componente polimérico de alto rendimiento, mientras que las partículas de metal líquido incrustadas aportan suficiente calor y una adhesión robusta. Juntas, estas propiedades pueden finalmente superar las limitaciones de robustez que afectan a la robótica blanda.
Los autores también formularon un modelo computacional que predice con precisión la flexión de los laminados en respuesta a las entradas de láser. Esta herramienta de simulación permite diseñar movimientos personalizados a través de prototipos de software y obtener una vista previa de los parámetros físicos necesarios antes de la fabricación.
A través de este enfoque simplificado, los investigadores pudieron concebir e iterar rápidamente adaptaciones originales como zancudos acuáticos fotodirigidos, gusanos pulgadas y aleteos de mariposa. Ahora es posible imaginar y hacer realidad migraciones, manipulaciones y gestos más complejos.
Este estudio destaca cómo la sinergia entre la comprensión de la naturaleza y el avance de la tecnología puede impulsar la innovación. Los investigadores emularon procesos biológicos adaptativos perfeccionados a través de la evolución para crear actuadores dinámicos basados en metales líquidos utilizando métodos computacionales y de nanofabricación modernos.
El trabajo promete robots blandos personalizables que pueden manejar mejor el desorden del mundo real. Dado que los materiales y la técnica de fabricación proporcionan altos grados de libertad con baja complejidad, puede surgir una nueva facilidad para crear prototipos de dispositivos con capacidad de respuesta altamente integrada.
Estos “músculos” de metal líquido podrían algún día alimentar ágiles serpientes de búsqueda y rescate que se escurran a través de grietas, suaves pinzas para recoger cultivos que eviten hematomas, zapatillas de deporte intuitivas y portátiles que guíen los movimientos humanos y aplicaciones similares que exijan adaptabilidad.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=64186.php
