Durante años, los científicos han intentado diseñar diminutos cilios artificiales para sistemas robóticos en miniatura que pueden realizar movimientos complejos, como doblarse, torcerse e invertirse. La construcción de estas microestructuras más pequeñas que un cabello humano generalmente requiere procesos de fabricación de varios pasos y estímulos variables para crear movimientos complejos, lo que limita sus aplicaciones a gran escala.
Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han desarrollado una microestructura de un solo material y un solo estímulo que puede superar incluso a los cilios vivos. Estas estructuras programables a escala micrométrica podrían usarse para una variedad de aplicaciones, incluida la robótica blanda, los dispositivos médicos biocompatibles e incluso el cifrado dinámico de información.
La investigación se publica en Naturaleza.
«Las innovaciones en materiales adaptables autorregulados que son capaces de un conjunto diverso de movimientos programados representan un campo muy activo, que está siendo abordado por equipos interdisciplinarios de científicos e ingenieros», dijo Joanna Aizenberg, profesora de ciencia de materiales y de materiales de Amy Smith Berylson. Profesor de Química y Biología Química en SEAS y autor principal del artículo. «Los avances logrados en este campo pueden tener un impacto significativo en 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 basaron principalmente en materiales complejos de múltiples componentes para lograr el movimiento programable de elementos estructurales reconfigurables, Aizenberg y su equipo diseñaron un pilar de microestructura hecho de un solo material: un elastómero de cristal líquido fotorreactivo. Debido a la forma en que se alinean los bloques de construcción fundamentales del elastómero de cristal líquido, cuando la luz golpea la microestructura, esos bloques de construcción se realinean y la estructura cambia de forma.
Cuando ocurre este cambio de forma, suceden dos cosas. En primer lugar, el punto donde incide la luz se vuelve transparente, lo que permite que la luz penetre más en el material y provoque deformaciones adicionales. En segundo lugar, a medida que el material se deforma y la forma se mueve, un nuevo punto en el pilar 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 golpe.
«Este circuito de retroalimentación interno y externo nos brinda un material autorregulador. Una vez que enciendes la luz, hace todo su trabajo», dijo Shucong Li, estudiante de posgrado en el Departamento de Química y Biología Química de Harvard y coautor. primer autor del artículo.
Cuando la luz se apaga, el material vuelve a su forma original.
Los giros y movimientos específicos del material cambian con su forma, lo que hace que estas estructuras sencillas se puedan reconfigurar y ajustar infinitamente. Usando un modelo y experimentos, los investigadores demostraron los movimientos de estructuras redondas, cuadradas, en forma de L y T y en forma de palmera y presentaron todas las otras formas en que se puede ajustar el material.
«Demostramos que podemos programar la coreografía de esta danza dinámica adaptando una variedad de parámetros, incluidos el ángulo de iluminación, la intensidad de la luz, la alineación molecular, la geometría de la microestructura, la temperatura y los intervalos y la duración de la irradiación», dijo Michael M. Lerch, un estudiante postdoctoral. Fellow en el Aizenberg Lab y co-primer autor del artículo.
Para agregar otra capa de complejidad y funcionalidad, el equipo de investigación también demostró cómo estos pilares interactúan entre sí como parte de una matriz.
«Cuando estos pilares se agrupan, interactúan de manera muy compleja porque cada pilar que se deforma proyecta una sombra sobre su vecino, que cambia a lo largo del proceso de deformación», dijo Li. «Programar cómo estas autoexposiciones mediadas por sombras cambian e interactúan dinámicamente entre sí podría ser útil para aplicaciones como el cifrado de información dinámica».
«El vasto espacio de diseño para movimientos individuales y colectivos es potencialmente transformador para la robótica suave, los microcaminantes, los sensores y los sistemas robustos de encriptación de información», dijo Aizenberg.
Los coautores del artículo fueron James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal y Anna C. Balazs. Fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., bajo el número de subvención W911NF-17-1-0351 y la Fundación Nacional de Ciencias a través del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Universidad de Harvard bajo el premio DMR-2011754.
