Imita la manipulación, detección y control avanzados de los cefalópodos
Un equipo de investigadores dirigido por Michael Bartlett de Virginia Tech ha desarrollado un guante inspirado en el pulpo capaz de agarrar objetos bajo el agua de forma segura.
Los seres humanos no están naturalmente equipados para prosperar en un entorno submarino. Usamos tanques para respirar, trajes de neopreno para protegernos y calentamos nuestros cuerpos y gafas para ver con claridad. En tal entorno, la mano humana tampoco está bien equipada para sujetar cosas. Cualquiera que haya tratado de sujetar un pez que se retuerce testificará que los objetos bajo el agua son difíciles de agarrar con nuestros dedos terrestres.
"Hay momentos críticos en los que esto se convierte en un lastre", dijo Bartlett, profesor asistente en el departamento de ingeniería mecánica. "La naturaleza ya tiene algunas excelentes soluciones, por lo que nuestro equipo buscó ideas en el mundo natural. El pulpo se convirtió en una opción obvia donde inspirarse".
Vídeo: Un equipo de investigadores dirigido por el profesor asistente de Virginia Tech, Michael Bartlett, ha desarrollado un guante inspirado en el pulpo capaz de agarrar objetos bajo el agua de forma segura. Crédito: Virginia Tech
Los buzos de rescate, los arqueólogos submarinos, los ingenieros de puentes y los equipos de salvamento utilizan sus manos para extraer personas y objetos del agua. Las manos humanas con menos capacidad para sujetar objetos resbaladizos deben recurrir al uso de más fuerza, y un agarre de hierro a veces puede comprometer esas operaciones. Cuando se requiere un toque delicado, sería útil tener manos hechas para el agua.
Esos son los mismos apéndices que intentaron construir Bartlett y sus colegas investigadores. Su equipo en el Laboratorio de Estructuras y Materiales Blandos adaptó soluciones biológicas a nuevas tecnologías hechas de materiales blandos y robótica.
Imagen: Los investigadores prueban el Octo-Guante en el laboratorio de Michael Bartlett. Crédito: Alex Parrish para Virginia Tech
Inspirándose en una poderosa adhesión
El pulpo es una de las criaturas más singulares del planeta, equipado con ocho largos brazos que pueden agarrar innumerables cosas en un entorno acuático. En una hermosa integración de herramientas prácticas e inteligencia, estos brazos están cubiertos con ventosas controladas por los sistemas muscular y nervioso del animal marino.
Cada ventosa, con la forma del extremo de un émbolo, contribuye con una poderosa capacidad de agarrar. Después que el ancho borde exterior de la ventosa se selle con un objeto, los músculos se contraen y relajan el área ahuecada detrás del borde para agregar y liberar presión. Cuando están enganchadas muchas ventosas, se crea una fuerte unión adhesiva de la que es difícil escapar.
"Cuando miramos el pulpo, el adhesivo ciertamente se destaca, activándose rápidamente y liberando la adhesión a volundad", dijo Bartlett. "Sin embargo, lo que es igual de interesante es que el pulpo controla más de 2.000 ventosas en ocho brazos mediante el procesamiento de información de diversos sensores químicos y mecánicos. El pulpo realmente está reuniendo capacidad de ajuste de adhesión, detección y control para manipular objetos bajo el agua".
Imagen: Octo-guante recogiendo diversos objetos bajo el agua del laboratorio de Michael Bartlett. Crédito: Cortesía de Virginia Tech
Poniendo la inspiración en acción
Para diseñar su guante, los investigadores se centraron en volver a imaginar las ventosas: tallos de goma compatibles cubiertos con membranas blandas accionadas. El diseño fue creado para realizar la misma función que la ventosa de un pulpo: activar una unión confiable a los objetos con una ligera presión, ideal para adherirse a superficies planas y curvas.
Habiendo desarrollado los mecanismos adhesivos, también necesitaban una forma en la que el guante detectara los objetos y activara la adhesión. Para esto, trajeron al profesor asistente Eric Markvicka de la Universidad de Nebraska-Lincoln, quien agregó una serie de sensores ópticos de proximidad micro-LIDAR que detectan qué tan cerca está un objeto. Luego, las ventosas y LIDAR se conectaron a través de un microcontrolador para emparejar la detección del objeto con el cometido de la ventosa, imitando así los sistemas nervioso y muscular de un pulpo.
El uso de sensores para acoplar las ventosas también hace que el sistema sea adaptable. En un ambiente natural, un pulpo enrolla sus brazos alrededor de peñascos en rocas y superficies, adhiriéndose a conchas lisas y percebes ásperos. El equipo de investigación también quería algo que se sintiera natural para los humanos y les permitiera recoger cosas sin esfuerzo, adaptándose a diferentes formas y tamaños como lo haría un pulpo. Su solución fue un guante con ventosas sintéticas y sensores estrechamente integrados, una armonía de sistemas portátiles que agarran muchas diferentes formas bajo el agua. Lo llamaron Octo-guante.
"Al combinar materiales adhesivos blandos y receptivos con componentes electrónicos incorporados, podemos agarrar objetos sin tener que apretarlos", dijo Bartlett. "Hace que el manejo de objetos mojados o bajo el agua sea mucho más fácil y natural. La electrónica puede activar y liberar la adhesión rápidamente. Simplemente mueva su mano hacia un objeto, y el guante hace el trabajo de agarrarlo. Todo se puede hacer sin que el usuario presione un solo botón".
Poniéndose el guante
En las pruebas, los investigadores probaron algunos diferentes modos de agarre. Para manipular objetos delicados y livianos, usaron un solo sensor. Descubrieron que podían recoger y soltar rápidamente objetos planos, juguetes de metal, cilindros, la parte de doble curva de una cuchara y una bola de hidrogel ultrasuave. Al reconfigurar la red de sensores para utilizar todos los sensores para la detección de objetos, también pudieron agarrar objetos más grandes, como un plato, una caja y un tazón. Se adhirieron y levantaron objetos planos, cilíndricos, convexos y esféricos compuestos de materiales duros y blandos, incluso cuando los usuarios no agarraron el objeto cerrando las manos.
Imagen: Chanhong Lee y Ravi Tutika prueban el Octo-Guante en el laboratorio de Michael Bartlett. Foto de Alex Parrish para Virginia Tech.
"Estas capacidades imitan la manipulación, detección y control avanzados de los cefalópodos y proporcionan una plataforma para pieles sintéticas adhesivas subacuáticas que pueden manipular de manera confiable diversos objetos submarinos", dijo el investigador postdoctoral Ravi Tutika. "Este es sin duda un paso en la dirección correcta, pero tenemos mucho que aprender tanto sobre el pulpo como sobre cómo hacer adhesivos integrados antes de que alcancemos todas las capacidades de agarre de la naturaleza".
De cara al futuro, los investigadores prevén que el guante desempeñe un papel en el campo de la robótica blanda para el agarre bajo el agua, las aplicaciones en tecnologías asistidas por el usuario y el cuidado de la salud, y en la fabricación para ensamblar y manipular objetos húmedos.
La investigación fue seleccionada para la portada del 13 de julio de Science Advances: Octopus-inspired adhesive skins for intelligent and rapidly switchable underwater adhesion
