24 de enero de 2024
(Proyector Nanowerk) Los organismos vivos utilizan señales químicas sofisticadas para compartir información, localizar parejas y defender territorios. Aprovechar habilidades similares podría revolucionar la percepción, la colaboración y la funcionalidad de los robots. Sin embargo, los intentos anteriores de comunicación química artificial enfrentaron limitaciones: los materiales carecían de capacidades integradas de envío, recepción y detección; El control sobre el tiempo y los volúmenes de liberación de sustancias químicas fue insuficiente; Las restricciones del rango de transferencia obstaculizaron las aplicaciones prácticas; Las reacciones en cascada de varios pasos no eran factibles. Un desafío duradero ha sido el desarrollo de materiales adaptables que emulen el ingenio biológico en diversos entornos. Los avances recientes en las redes de polímeros de cristal líquido (LCN) ahora son prometedores para superar estas barreras. Los LCN son materiales inteligentes programables que cambian de forma cuando se exponen a la luz. Informar sus hallazgos en Materiales avanzados (“Facilitando la comunicación entre pieles en sistemas de polímeros artificiales mediante transferencia de líquidos”), un equipo de investigación de la Universidad Tecnológica de Eindhoven ha creado capas LCN que imitan la piel. Estas pieles artificiales pueden enviar, recibir y detectar señales químicas a pedido. Los materiales demuestran un control dinámico mejorado, versatilidad de señalización, funcionalidad reactiva y retroalimentación sensorial.
Ilustración esquemática del proceso de comunicación química, incluida la transferencia, recepción y detección de información. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) El enfoque del equipo integra la liberación de sustancias químicas provocada por luz con la detección de carga eléctrica. Las capas cutáneas de LCN contienen poros específicamente diseñados que se llenan con una solución que contiene compuestos iónicos. La exposición a la luz ultravioleta hace que la piel se contraiga, empujando el líquido a través de los poros hacia otra superficie cercana. Este proceso de transferencia enciende una luz LED, lo que indica una transmisión exitosa. El líquido emitido también cambia la resistencia medida eléctricamente en la piel receptora. Los valores de resistencia se correlacionan con los volúmenes de líquido transmitidos, lo que permite detectar cantidades exactas de liberación de sustancias químicas. Las capas de piel inteligentes del equipo utilizan un material de red de polímero de cristal líquido (LCN) mezclado con moléculas de azobenceno fotosensibles. El LCN contiene poros a nanoescala diseñados específicamente con soluciones iónicas. La exposición a la luz ultravioleta provoca un cambio de configuración molecular cis-trans del azobenceno, lo que hace que las moléculas de LCN alineadas pierdan el orden. Esta contracción aprieta los poros y bombea líquido. Las soluciones utilizadas incluyen polietilenglicol, etilenglicol o sales iónicas disueltas en agua.
Procedimiento de fabricación del revestimiento LCN sobre sustrato de vidrio. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) La piel artificial permite de manera única reacciones próximas de polímeros. A modo de demostración, los investigadores llenaron capas separadas de LCN con soluciones de tiocianato de potasio (KSCN) y cloruro de hierro (III) (FeCl3). El contacto desencadenó una reacción inmediata de cambio de color entre los dos químicos. Cuando los iones Fe3+ interactúan con los iones SCN- transferidos, se forma un complejo de coordinación de tiocianato de hierro (III) de color rojo vibrante. Este indicador visual verifica tanto la capacidad de transferencia de líquido como el potencial reactivo del LCN.
Las capas de máscara pueden alternar entre los modos de envío y recepción. Después de aceptar la solución, las pieles regresan líquido cuando se iluminan, completando una transferencia bidireccional. La tecnología facilita reacciones en cascada de varios pasos a través de cadenas de tres o más pieles reactivas. El tiempo de exposición a la luz variable proporciona un control preciso sobre las tasas de liberación de sustancias químicas, desde fracciones de segundo hasta minutos. Se pueden fabricar diferentes dimensiones de poros de la piel, optimizando la compatibilidad del material con diversos compuestos orgánicos e inorgánicos.
Los materiales demuestran alta eficiencia y precisión durante ciclos iterativos de envío/recepción. En las pruebas, una piel inicial A envió el 60% de su solución al receptor B cuando fue activada por la luz ultravioleta. La piel A luego transmitió un 19% adicional de líquido a un segundo receptor B1. Las futuras mejoras en la ingeniería de superficies tienen como objetivo mejorar aún más el rendimiento de la transmisión.
Excepcionalmente, las capas de piel artificial también permiten una química reactiva próxima. El equipo llenó pieles separadas con una solución de tiocianato de potasio y una solución de cloruro de hierro (III). El contacto provocó una reacción inmediata de cambio de color. La exposición a la luz con patrones espaciales a través de fotomáscaras imprimió las formas correspondientes en las superficies receptoras durante la transferencia. Este nivel de especificidad de señalización es prometedor para protocolos de comunicación complejos.
Los investigadores destacan aplicaciones potenciales que incluyen interfaces hombre-robot, coordinación de múltiples agentes, producción de fármacos, análisis químicos, microfluidos, superficies programables y redes de sensores inteligentes. La tecnología proporciona una base para que los sistemas de inteligencia artificial interpreten y reaccionen a las firmas químicas ambientales. Las capacidades de respuesta adaptativa podrían permitir que los equipos de robots colaboren intercambiando actualizaciones situacionales, señales de comportamiento y asignaciones de tareas.
El estudio demuestra las innovaciones clave necesarias para recrear procesos biológicos intrínsecos con materiales sintéticos. Sin embargo, la realización de implementaciones prácticas a gran escala aún requiere más investigación. Si bien son prometedoras, es necesario abordar las limitaciones tecnológicas actuales antes de su implementación comercial generalizada.
La investigación en curso tiene como objetivo optimizar las técnicas de fabricación y las configuraciones de los poros para maximizar los rendimientos de producción por encima del 60%. El equipo está explorando moléculas fotorresponsivas alternativas para mejorar la precisión del control y las tasas de modulación.
Estudiar la estabilidad química a largo plazo, los modos de degradación de materiales, los umbrales de toxicidad y los factores de biocompatibilidad será esencial para aplicaciones que involucran interacciones humanas, dispositivos médicos y producción de alimentos. También es fundamental analizar los riesgos de seguridad y los impactos ambientales. La investigación de sustratos de recubrimiento alternativos, como los elastómeros, permitiría integrar la tecnología en dispositivos portátiles y exteriores de robots. Se necesitan entornos de prueba más grandes para comprender la dinámica operativa del mundo real a través de las fluctuaciones de temperatura, humedad y química atmosférica.
Además, la coordinación de múltiples agentes totalmente descentralizada a través de señalización química sigue siendo teóricamente viable, pero no está validada experimentalmente. La creación de comportamientos emergentes complejos de múltiples robots comparables a los sistemas naturales, como las colonias de hormigas, a través de feromonas artificiales sigue siendo una aspiración. El estudio de la dinámica de toma de decisiones colectivas en grupo debe preceder a la formulación de hipótesis sobre posibles impactos sociales.
Una mayor colaboración interdisciplinaria entre científicos de materiales, robóticos e informáticos es fundamental para abordar estos desafíos abiertos. Los enfoques de diseño creativo que combinan conocimientos de ingeniería bioinspirada, fabricación adaptativa e inteligencia artificial incorporada ofrecen caminos para alcanzar objetivos ambiciosos.
Ilustración esquemática del proceso de comunicación química, incluida la transferencia, recepción y detección de información. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) El enfoque del equipo integra la liberación de sustancias químicas provocada por luz con la detección de carga eléctrica. Las capas cutáneas de LCN contienen poros específicamente diseñados que se llenan con una solución que contiene compuestos iónicos. La exposición a la luz ultravioleta hace que la piel se contraiga, empujando el líquido a través de los poros hacia otra superficie cercana. Este proceso de transferencia enciende una luz LED, lo que indica una transmisión exitosa. El líquido emitido también cambia la resistencia medida eléctricamente en la piel receptora. Los valores de resistencia se correlacionan con los volúmenes de líquido transmitidos, lo que permite detectar cantidades exactas de liberación de sustancias químicas. Las capas de piel inteligentes del equipo utilizan un material de red de polímero de cristal líquido (LCN) mezclado con moléculas de azobenceno fotosensibles. El LCN contiene poros a nanoescala diseñados específicamente con soluciones iónicas. La exposición a la luz ultravioleta provoca un cambio de configuración molecular cis-trans del azobenceno, lo que hace que las moléculas de LCN alineadas pierdan el orden. Esta contracción aprieta los poros y bombea líquido. Las soluciones utilizadas incluyen polietilenglicol, etilenglicol o sales iónicas disueltas en agua.
Procedimiento de fabricación del revestimiento LCN sobre sustrato de vidrio. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) La piel artificial permite de manera única reacciones próximas de polímeros. A modo de demostración, los investigadores llenaron capas separadas de LCN con soluciones de tiocianato de potasio (KSCN) y cloruro de hierro (III) (FeCl3). El contacto desencadenó una reacción inmediata de cambio de color entre los dos químicos. Cuando los iones Fe3+ interactúan con los iones SCN- transferidos, se forma un complejo de coordinación de tiocianato de hierro (III) de color rojo vibrante. Este indicador visual verifica tanto la capacidad de transferencia de líquido como el potencial reactivo del LCN.
Las capas de máscara pueden alternar entre los modos de envío y recepción. Después de aceptar la solución, las pieles regresan líquido cuando se iluminan, completando una transferencia bidireccional. La tecnología facilita reacciones en cascada de varios pasos a través de cadenas de tres o más pieles reactivas. El tiempo de exposición a la luz variable proporciona un control preciso sobre las tasas de liberación de sustancias químicas, desde fracciones de segundo hasta minutos. Se pueden fabricar diferentes dimensiones de poros de la piel, optimizando la compatibilidad del material con diversos compuestos orgánicos e inorgánicos.
Los materiales demuestran alta eficiencia y precisión durante ciclos iterativos de envío/recepción. En las pruebas, una piel inicial A envió el 60% de su solución al receptor B cuando fue activada por la luz ultravioleta. La piel A luego transmitió un 19% adicional de líquido a un segundo receptor B1. Las futuras mejoras en la ingeniería de superficies tienen como objetivo mejorar aún más el rendimiento de la transmisión.
Excepcionalmente, las capas de piel artificial también permiten una química reactiva próxima. El equipo llenó pieles separadas con una solución de tiocianato de potasio y una solución de cloruro de hierro (III). El contacto provocó una reacción inmediata de cambio de color. La exposición a la luz con patrones espaciales a través de fotomáscaras imprimió las formas correspondientes en las superficies receptoras durante la transferencia. Este nivel de especificidad de señalización es prometedor para protocolos de comunicación complejos.
Los investigadores destacan aplicaciones potenciales que incluyen interfaces hombre-robot, coordinación de múltiples agentes, producción de fármacos, análisis químicos, microfluidos, superficies programables y redes de sensores inteligentes. La tecnología proporciona una base para que los sistemas de inteligencia artificial interpreten y reaccionen a las firmas químicas ambientales. Las capacidades de respuesta adaptativa podrían permitir que los equipos de robots colaboren intercambiando actualizaciones situacionales, señales de comportamiento y asignaciones de tareas.
El estudio demuestra las innovaciones clave necesarias para recrear procesos biológicos intrínsecos con materiales sintéticos. Sin embargo, la realización de implementaciones prácticas a gran escala aún requiere más investigación. Si bien son prometedoras, es necesario abordar las limitaciones tecnológicas actuales antes de su implementación comercial generalizada.
La investigación en curso tiene como objetivo optimizar las técnicas de fabricación y las configuraciones de los poros para maximizar los rendimientos de producción por encima del 60%. El equipo está explorando moléculas fotorresponsivas alternativas para mejorar la precisión del control y las tasas de modulación.
Estudiar la estabilidad química a largo plazo, los modos de degradación de materiales, los umbrales de toxicidad y los factores de biocompatibilidad será esencial para aplicaciones que involucran interacciones humanas, dispositivos médicos y producción de alimentos. También es fundamental analizar los riesgos de seguridad y los impactos ambientales. La investigación de sustratos de recubrimiento alternativos, como los elastómeros, permitiría integrar la tecnología en dispositivos portátiles y exteriores de robots. Se necesitan entornos de prueba más grandes para comprender la dinámica operativa del mundo real a través de las fluctuaciones de temperatura, humedad y química atmosférica.
Además, la coordinación de múltiples agentes totalmente descentralizada a través de señalización química sigue siendo teóricamente viable, pero no está validada experimentalmente. La creación de comportamientos emergentes complejos de múltiples robots comparables a los sistemas naturales, como las colonias de hormigas, a través de feromonas artificiales sigue siendo una aspiración. El estudio de la dinámica de toma de decisiones colectivas en grupo debe preceder a la formulación de hipótesis sobre posibles impactos sociales.
Una mayor colaboración interdisciplinaria entre científicos de materiales, robóticos e informáticos es fundamental para abordar estos desafíos abiertos. Los enfoques de diseño creativo que combinan conocimientos de ingeniería bioinspirada, fabricación adaptativa e inteligencia artificial incorporada ofrecen caminos para alcanzar objetivos ambiciosos.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es pequeñoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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