El material blando autocurativo supera a la naturaleza

El nuevo material estirable recupera completamente su estructura y propiedades en un abrir y cerrar de ojos - y puede hacer esto una y otra vez

30.07.2020 - Alemania

Un material blando que se cura a sí mismo instantáneamente es ahora la realidad. Un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes y de la Universidad Estatal de Pennsylvania afinan la nanoestructura de un nuevo material estirable de tal manera que ahora recupera por completo su estructura y propiedades en un abrir y cerrar de ojos después de ser cortado o pinchado. El material inspirado en el calamar podría revolucionar el campo de la investigación de la robótica suave. Dado que puede revertir cualquier daño sufrido, hace posible muchas aplicaciones en el mundo real en las que los robots tienen que lidiar con entornos dinámicos e impredecibles.

Stuttgart / Pennsylvania - Científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes (MPI-IS) en Alemania y de la Universidad Estatal de Pennsylvania (PSU) en los EE.UU. han desarrollado un material sintético blando que puede curarse a sí mismo en un segundo después de un daño. Las moléculas de los anteriores materiales autocurativos deformables tardan varias horas o incluso días en volver a unirse, a menudo con poca fuerza en el punto en que se perforan o cortan. Sin embargo, este nuevo material estirable recupera completamente su estructura y propiedades en un abrir y cerrar de ojos, y puede hacer esto una y otra vez.

"Hemos desarrollado un nuevo material que puede curarse mucho más rápido sin perder su fuerza. Lo probamos con todo tipo de daños mecánicos extremos y lo reparamos en segundos", dice el Dr. Abdon Pena-Francesch, autor principal del artículo "Materiales biosintéticos autocurativos para máquinas blandas", que se publicará en Nature Materials el 27 de julio de 2020.

Los materiales blandos autocurativos están atrayendo un creciente interés en la comunidad científica, en particular en la robótica, donde este material sobrenatural podría inclinar la balanza al permitir que una serie de robots se apliquen en la vida cotidiana. Si los robots han de trabajar algún día con los seres humanos o prestarles apoyo en entornos muy dinámicos e impredecibles, los robots requieren un material blando que permita flexibilidad y conformidad. Sin embargo, cuanto más blando sea el material, más vulnerable es a los daños. Esto limita la longevidad y el rendimiento de un robot, restringiendo así su aplicación práctica. Las capacidades de autocuración instantánea podrían compensar esta deficiencia. En el futuro, los robots invencibles y autocurativos podrían emplearse en una amplia gama de áreas, como la recuperación de desastres. O el material podría utilizarse en el ámbito de las prendas de protección que se repararían inmediatamente después de un corte.

El Dr. Pena-Francesch y sus coautores, el Dr. Huihun Jung y el Prof. Melik C. Demirel de la PSU y el Prof. Metin Sitti, Director del Departamento de Inteligencia Física del MPI-IS, buscaron en la naturaleza y en las maravillas de la Tierra una guía sobre cómo construir un material tan inteligente. "Nuestro objetivo es crear materiales programables autocurativos con un control sin precedentes sobre sus propiedades físicas utilizando la biología sintética", dice el Prof. Demirel. Él y su equipo estudiaron la estructura molecular y las secuencias de aminoácidos de las proteínas de los calamares y desarrollaron un nuevo material biosintético utilizando la ingeniería de proteínas. "Construimos la estructura molecular de tal manera que podemos programar las propiedades de autocuración", añade. "Fuimos capaces de reducir el típico período de curación de 24 horas a un segundo, por lo que nuestros robots blandos basados en proteínas ahora pueden repararse a sí mismos inmediatamente. En la naturaleza, la autocuración lleva mucho tiempo. En este sentido, nuestra tecnología supera a la naturaleza", dice Pena-Francesch, que ha estado desarrollando materiales de autocuración durante varios años.

El calamar tarda más tiempo en curarse porque la estructura molecular de las proteínas dentro de sus tentáculos no está perfectamente entrelazada. Con el material inspirado en el calamar desarrollado en el laboratorio, los científicos cambiaron la nanoestructura de las moléculas hasta que crearon enlaces cruzados entre todas ellas. "Una red en la que sólo se conectan unos pocos puntos tendrá defectos, y sus propiedades no serán tan buenas. Conectamos todos los puntos y mejoramos el material más allá de lo que se encuentra en la naturaleza", añade Pena-Francesch. Además, mientras que las moléculas de la mayoría de los polímeros y otros materiales flexibles tienen enlaces permanentes que no se pueden volver a unir, cada enlace cruzado físico del nuevo material es reversible. Gracias a la rápida y veloz unión del hidrógeno, las conexiones vuelven a su posición en el punto en el que el material estaba deteriorado.

Una red supramolecular con propiedades de autocuración sin precedentes no sólo abre un vasto terreno inexplorado de posibles aplicaciones en la robótica. "Los materiales blandos físicamente inteligentes que se autorreparan son esenciales para construir robots y actuadores blandos robustos y tolerantes a los fallos en un futuro próximo", dice el profesor Metin Sitti. Sitti y su equipo en el MPI-IS planean utilizar estos materiales blandos autorreparables en su investigación sobre robots blandos médicos, así como en pinzas robóticas. Como el material blando puede adaptarse a diferentes formas y es muy flexible, es útil para levantar objetos. Si un objeto desgarra el material mientras es transportado, puede autocurarse fácilmente.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.