Durante años, los científicos han estado tratando de diseñar diminutos cilios artificiales en sistemas robóticos en miniatura que pueden realizar movimientos complejos, como doblarse, torcerse e invertirse. La construcción de estas microestructuras más pequeñas a partir de cabello humano requiere procesos de fabricación de varios pasos y diferentes estímulos para crear movimientos complejos, lo que limita su amplia gama de aplicaciones.
Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han desarrollado una microestructura de un solo catalizador y una sola materia que puede superar incluso a los cilios vivos. Estas estructuras programables a escala micrométrica se pueden utilizar para una variedad de aplicaciones, incluida la robótica blanda, los dispositivos médicos biocompatibles e incluso la codificación de información dinámica.
La búsqueda fue publicada en templar la naturaleza.
«Las innovaciones en materiales adaptables autoorganizados capaces de una variedad de movimientos programados son un campo muy activo, siendo abordado por equipos multidisciplinarios de científicos e ingenieros», dijo Joanna Eisenberg, profesora de ciencia de materiales en Amy Smith Perilson. Profesor de Química y Biología Química en SEAS y autor principal del artículo. «Los avances en este campo pueden afectar significativamente la forma en que diseñamos materiales y dispositivos para una variedad de aplicaciones, incluidas la robótica, la medicina y las tecnologías de la información».
A diferencia de investigaciones anteriores, que se han basado principalmente en materiales complejos de múltiples componentes para lograr el movimiento programable de elementos estructurales reconfigurables, Eisenberg y su equipo diseñaron un eje microestructurado hecho de un solo material: un elastómero de cristal líquido sensible a la luz. Debido a la forma en que se alinean los bloques de construcción de caucho cristalino líquido, cuando la luz incide en la microestructura, estos bloques de construcción se reorganizan y la estructura cambia de forma.
Cuando ocurre este cambio de forma, suceden dos cosas. Primero, el lugar donde incide la luz se vuelve transparente, lo que permite que la luz penetre más en el material, causando distorsiones adicionales. En segundo lugar, a medida que el material se deforma y la forma cambia, un nuevo punto en el eje queda expuesto a la luz, lo que hace que esa área también cambie de forma.
Este circuito de retroalimentación impulsa la microestructura en un ciclo de movimiento similar a un trazo.
Shukong Li, estudiante de posgrado en el Departamento de Química y Biología Química de Harvard, y sus colegas, dijeron ser el primer autor del artículo.
Cuando se apaga la luz, el material vuelve a su forma original.
Las fluctuaciones y los movimientos específicos de la materia cambian con su forma, lo que hace que estas estructuras simples sean infinitamente reconfigurables y ajustables. Usando un modelo y experimentos, los investigadores demostraron los movimientos de estructuras circulares, cuadradas, en forma de T y palmeadas y expusieron todas las otras formas en que se podría sintonizar el material.
Michael M dijo: Miembro del Laboratorio Aizenberg y coautor del artículo.
Para agregar otra capa de complejidad y funcionalidad, el equipo de investigación también demostró cómo estos sustratos interactúan entre sí como parte de una matriz.
“Cuando estos pilares se juntan, interactúan de formas muy complejas porque cada pilar deformado proyecta una sombra sobre su vecino, que cambia durante el proceso de deformación”, me dijo Lee. «Programar cómo las autoexposiciones mediadas por sombras cambian e interactúan dinámicamente entre sí puede ser útil para aplicaciones como la codificación de información dinámica».
“El amplio espacio de diseño para movimientos individuales y grupales es potencialmente transformador para robots blandos, cintas de correr pequeñas, sensores y codificadores de información robustos”, dijo Aizenberg.
Los coautores del artículo fueron James T. Waters, Polly Deng, Reese S. Martins, Yuxing Yao, Do Yun Kim, Katia Bertoldi, Alison Greenthal y Anna C. Palaz. Fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., con la subvención W911NF-17-1-0351 y la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de Investigación de Materiales, Ciencia e Ingeniería de la Universidad de Harvard con la subvención DMR-2011754.
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