Robot acuático inspirado en criaturas marinas camina, rueda y transporta cargas

robot acuático

Se mueve sin hardware complejo, sistemas hidráulicos o electricidad

Los investigadores de la Universidad de Northwestern han desarrollado un material similar a la vida, el primero de su tipo, que actúa como un robot blando. Puede caminar a la velocidad humana, recoger y transportar carga a una nueva ubicación, subir colinas e incluso hacer break dance para liberar una partícula.

Con casi un 90% de agua en peso, el robot del tamaño de un centímetro se mueve sin hardware complejo, sistemas hidráulicos o electricidad. En cambio, es activado por la luz y camina en la dirección de un campo magnético giratorio externo.

Parecido a un pulpo de cuatro patas, el robot funciona dentro de un tanque lleno de agua, lo que lo hace ideal para su uso en entornos acuáticos. Los investigadores imaginan personalizar los movimientos de robots en miniatura para ayudar a catalizar diferentes reacciones químicas y luego bombear los valiosos productos.

Los robots también podrían diseñarse molecularmente para reconocer y eliminar activamente partículas no deseadas en entornos específicos, o utilizar sus movimientos mecánicos y locomoción para administrar con precisión bioterapéutica o células a tejidos específicos.

"Los robots convencionales suelen ser máquinas pesadas con gran cantidad de hardware y electrónica que no pueden interactuar de forma segura con estructuras blandas, incluidos los humanos", dijo Samuel I. Stupp, quien dirigió la investigación experimental. "Hemos diseñado materiales blandos con inteligencia molecular para permitirles comportarse como robots de cualquier tamaño y realizar funciones útiles en espacios diminutos, bajo el agua o bajo tierra".

"Al combinar los movimientos de caminar y de dirección juntos, podemos programar secuencias específicas de campos magnéticos, que operan de forma remota el robot y lo dirigen para que siga caminos en superficies planas o inclinadas", agregó Mónica Olvera de la Cruz, quien dirigió el trabajo teórico. "Esta función programable nos permite dirigir el robot a través de pasajes estrechos con rutas complejas".

Nuevos avances

El estudio se basa en el trabajo anterior de Stupp para diseñar "materia blanda robótica" que imita a las criaturas marinas vivientes. En el estudio anterior, publicado a principios de este año, el material robótico podría doblarse en escalas de tiempo de minutos y arrastrarse sobre una superficie dando un paso cada 12 horas. Ahora, el avance actual permite que el robot camine a la velocidad humana, aproximadamente un paso por segundo, y responda a los campos magnéticos que dirigen estos materiales para seguir trayectorias específicas.

Al acoplar las respuestas a los campos de luz y magnéticos, los investigadores diseñaron un robot que también puede recoger carga y llevarla a un destino caminando o rodando. Luego deja caer la carga en la nueva ubicación, ya sea invirtiendo su forma, lo que permite que las cargas útiles se deslicen suavemente del robot, o realizando un "break dance" giratorio para desalojar y liberar objetos más pegajosos.

"El diseño de los nuevos materiales que imitan a los seres vivos permite no solo una respuesta más rápida, sino también el desempeño de funciones más sofisticadas", dijo Stupp. "Podemos cambiar la forma y agregar patas a las criaturas sintéticas, y dar a estos materiales sin vida nuevos modos de caminar y comportamientos más inteligentes. Esto los hace muy versátiles y aptos para diferentes tareas".

Cómo funciona

El secreto del movimiento preciso y la agilidad del robot radica en su estructura llena de agua y el esqueleto incrustado de filamentos de níquel alineados que son ferromagnéticos. El componente blando es una red de diseño molecular con partes que le permiten responder a la luz, retener o expulsar agua en su interior, y tienen la rigidez justa para responder rápidamente a los campos magnéticos.

El equipo de Northwestern utilizó la síntesis química para programar las moléculas dentro del hidrogel para responder a la luz. Cuando se exponen a la luz, las moléculas del robot se vuelven hidrófobas (repelen el agua), lo que hace que escapen las moléculas de agua. Esta conversión hace que el robot "cobre vida" al inclinarse desde una posición plana a "estar de pie".

Los investigadores descubrieron que esta flexión permite que el material responda rápidamente a los campos magnéticos giratorios, activando su capacidad para caminar rápido. Cuando se apaga la luz, las moléculas vuelven a su estado original y el robot se aplana, pero está listo en cualquier momento para un nuevo ciclo de actividad bajo un campo magnético cuando lo indica un LED.

Cuando se expone a campos magnéticos giratorios, el esqueleto incrustado en el robot doblado ejerce fuerzas cíclicas sobre la red molecular blanda y activa las patas. Se puede programar el campo giratorio para que el robot navegue por una ruta predeterminada.

"Usando la teoría y la computación, podemos calcular la respuesta a los campos magnéticos y de luz", dijo Olvera de la Cruz. "Esto nos permite predecir y programar trayectorias de caminata con gran precisión".

Aplicaciones futuras

Stupp y Olvera de la Cruz imaginan que estos materiales robóticos blandos podrían potencialmente usarse para crear objetos para muchas aplicaciones, incluida la producción química, nuevas herramientas para tecnologías ambientalmente importantes o como biomateriales inteligentes para la medicina altamente avanzada.

"Eventualmente, nos gustaría crear ejércitos de microrobots que pudieran realizar una tarea complicada de manera coordinada", dijo Stupp. "Podemos modificarlos molecularmente para que interactúen entre sí e imiten el enjambre de aves y bacterias en la naturaleza o bancos de peces en el océano. La versatilidad molecular de la plataforma podría conducir a aplicaciones que no han sido concebidas en este momento".

La investigación se publicó el 9 de diciembre en la revista Science Robotics: Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields

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