Músculos para robots blandos inspirados en la naturaleza
Los investigadores de materiales mejoran notablemente el rendimiento de los actuadores de hidrogel
Los robots de metal y otros materiales sólidos ya se utilizan mucho en la industria. Pero son demasiado rígidos e incómodos para las actividades de motricidad fina y la interacción con las personas, como en enfermería o medicina. Por eso ya se está investigando intensamente en robots de materiales blandos: inspirados en la naturaleza, como medusas, lombrices, peces o el cuerpo humano, deberían permitir "robots blandos" capaces de moverse con flexibilidad y adaptarse a su entorno.
El material se convierte en una pinza: activado por la luz, el hidrogel libera agua y se contrae. En el proceso, encierra un pequeño objeto, que también puede liberar de nuevo.
© Margarethe Hauck
Un equipo de investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de la Universidad de Kiel ha desarrollado un nuevo sistema material basado en un hidrogel que funciona de forma similar a un músculo. El material blando puede reducirse y volver a ampliarse de forma controlada en poco tiempo. Así podría asumir tareas de movimiento en robótica blanda, por ejemplo. El equipo acaba de publicar sus resultados en la revista Advanced Materials.
El material reacciona al calor
Los hidrogeles, como los utilizados en las lentes de contacto, son extremadamente elásticos. Están formados casi exclusivamente por agua y sus propiedades mecánicas son similares a las del tejido corporal humano. Los llamados hidrogeles sensibles especiales pueden encogerse hasta un 90% en respuesta a su entorno. "Nuestros hidrogeles son termorresponsables, es decir, reaccionan al calor. Por encima de una temperatura de 32 °C, liberan agua y reducen así su volumen", explica la Dra. Margarethe Hauck, una de las primeras autoras del estudio. Cuando baja la temperatura, el hidrogel vuelve a absorber el agua y recupera su volumen original.
El proceso puede repetirse tantas veces como se quiera, dando lugar a una especie de movimiento. "Básicamente, estos hidrogeles tienen el potencial de funcionar como un músculo humano", dice Hauck, que hizo su doctorado sobre el tema en el programa de formación de posgrado "Materiales para el cerebro". Esto los hace interesantes como componentes actuadores para el desarrollo de nuevos tipos de robots blandos. Pero hasta ahora, todo el proceso de cambio de volumen tardaba varias semanas, demasiado lento para la mayoría de las aplicaciones.
El sistema de canales internos transporta el agua con especial rapidez
Científicos de todo el mundo intentan cambiar el volumen de este tipo de hidrogeles termorresponsables con mayor rapidez utilizando diversos métodos. Los investigadores de Kiel construyeron una red de diminutos tubos en su hidrogel. "Esto permite reducirlo y ampliarlo mucho más rápido que antes sin perder estabilidad. Al contrario, puede incluso ejercer hasta un 4.000% más de fuerza", explica Lena Saure, estudiante de doctorado de la Cátedra de Nanomateriales Funcionales y también primera autora.
"Nuestro planteamiento sigue el ejemplo de la naturaleza", afirma el Dr. Fabian Schütt, científico de materiales y director del estudio y del grupo de investigación junior "Ingeniería de materiales multiescala" del Instituto de Ciencia de Materiales de la Universidad de Kiel. "Las plantas y los animales tienen sistemas de canales en red, estructurados jerárquicamente, para el transporte eficaz de sustancias y fluidos, como el sistema capilar en los seres humanos. Utilizando este principio, también podemos mejorar las propiedades de los materiales blandos."
El recubrimiento de grafeno permite el control eléctrico
Los numerosos tubos huecos interconectados de unos pocos micrómetros de tamaño permiten que el agua fluya libremente fuera y dentro del hidrogel, posibilitando así un cambio rápido de su volumen. Además, una capa finísima de grafeno hace que los tubos sean conductores de la electricidad. De este modo, los investigadores pueden calentar el hidrogel con una corriente eléctrica y controlar el transporte de agua con sólo pulsar un botón. "Se trata de un aspecto crucial para la aplicación práctica de este tipo de actuadores blandos", subraya Schütt. Como resultado, el cambio de volumen completo ahora sólo tarda unas horas en lugar de semanas. "Por supuesto, estamos trabajando para acelerar aún más este proceso." Esto también es posible con un haz de luz dirigido, explica Lena Saure. "Esto tiene la ventaja de que el movimiento puede controlarse de forma inalámbrica, por lo que es muy flexible".
El equipo puede adaptar el hidrogel para diferentes aplicaciones. Por ejemplo, una estructura diferente de los tubos o una concentración mayor o menor de grafeno modifica los tiempos de reacción o las fuerzas ejercidas. Nicola Pugno, catedrático de Estado Sólido y Mecánica Estructural de la Universidad de Trento (Italia) y actualmente invitado en la Universidad de Kiel como Premio Humboldt de Investigación, calculó cómo afecta un cambio de la estructura del material a las propiedades del hidrogel. En la colaboración también participaron colegas del Centro Helmholtz Hereon y de la Universidad Técnica de Dresde.
Las aplicaciones médicas también son posibles
"Por primera vez, podemos mover un hidrogel tanto con velocidad como con fuerza. Junto con sus propiedades de respuesta, con las que reacciona de forma independiente a estímulos externos, esto nos acerca un paso decisivo a los materiales inteligentes de alto rendimiento para robótica blanda", afirma el profesor Rainer Adelung, director de la cátedra y del Grupo de Formación en Investigación, destacando la importancia de los resultados. Debido a las propiedades tisulares del hidrogel, son concebibles aplicaciones en el campo médico en particular, como la cirugía asistida por robot, la construcción de tejidos artificiales o también como implante para la liberación controlada de fármacos en el cuerpo humano.
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.
Publicación original
Margarethe Hauck, Lena M. Saure, Berit Zeller‐Plumhoff, Sören Kaps, Jörg Hammel, Caprice Mohr, Lena Rieck, Ali Shaygan Nia, Xinliang Feng, Nicola M. Pugno, Rainer Adelung, Fabian Schütt; "Overcoming Water Diffusion Limitations in Hydrogels via Microtubular Graphene Networks for Soft Actuators"; Advanced Materials, 2023-8-17
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