09.04.2020 - University of Pittsburgh

Let's do the twist

Los investigadores 'programan' elastómeros cristalinos líquidos para replicar la compleja acción de torsión simplemente con el uso de la luz

Las capacidades de torsión y flexión del sistema muscular humano permiten un rango de movimiento variado y dinámico, desde caminar y correr hasta alcanzar y agarrar. Sin embargo, para replicar algo tan aparentemente simple como agitar una mano en un robot, se requiere una serie compleja de motores, bombas, actuadores y algoritmos. Investigadores de la Universidad de Pittsburgh y de la Universidad de Harvard han diseñado recientemente un polímero conocido como elastómero de cristal líquido (LCE) que puede ser "programado" tanto para girar como para doblarse en presencia de luz.

La investigación, publicada en la revista Science Advances fue desarrollada en la Escuela de Ingeniería Pitt Swanson por Anna C. Balazs, Profesora Distinguida de Ingeniería Química y del Petróleo y de la Cátedra John A. Swanson de Ingeniería; y James T. Waters, asociado postdoctoral y primer autor del artículo. Otros investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y de la Escuela de Ingeniería John A. Paulson son Joanna Aizenberg, Michael Aizenberg, Michael Lerch, Shucong Li y Yuxing Yao.

Estos LCE en particular son achirales: la estructura y su imagen especular son idénticas. Esto no es cierto para un objeto quiral, como una mano humana, que no se puede superponer con una imagen especular de sí mismo. En otras palabras, la mano derecha no puede convertirse espontáneamente en una mano izquierda. Sin embargo, cuando el LCE quiral se expone a la luz, puede girar de forma controlada y reversible hacia la derecha o hacia la izquierda, formando estructuras tanto para la mano derecha como para la izquierda.

"La quiralidad de las moléculas y los sistemas de materiales a menudo dicta sus propiedades", explicó el Dr. Balazs. "La capacidad de alterar la quiralidad de forma dinámica y reversible, o de conducir una estructura achiral a una quiral, podría proporcionar un enfoque único para cambiar las propiedades de un sistema dado sobre la marcha". Sin embargo, hasta la fecha, lograr este nivel de mutabilidad estructural sigue siendo un desafío de enormes proporciones. Por lo tanto, estos hallazgos son emocionantes porque estos EFC son intrínsecamente quirales pero pueden convertirse en quirales en presencia de luz ultravioleta y volver a ser quirales cuando se elimina la luz".

Los investigadores descubrieron este distintivo comportamiento dinámico a través de su modelado por ordenador de un poste LCE microscópico anclado a una superficie en el aire. Las moléculas (los mesógenos) que se extienden desde la columna vertebral del LCE están todas alineadas a 45 grados (con respecto a la superficie) por un campo magnético; además, los LCE están reticulados con un material sensible a la luz. "Cuando simulamos el brillo de una luz en una dirección, las moléculas de LCE se desorganizarían y todo el poste de LCE se tuerce hacia la izquierda; al brillar en la dirección opuesta se tuerce hacia la derecha", describió el Dr. Waters. Estos resultados del modelado fueron corroborados por los hallazgos experimentales del grupo de Harvard.

Yendo un paso más allá, los investigadores utilizaron su modelo informático validado para diseñar postes LCE "quiméricos" en los que las moléculas de la mitad superior del poste están alineadas en una dirección y en otra dirección en la mitad inferior. Con la aplicación de la luz, estas estructuras quimeras pueden doblarse y girar simultáneamente, imitando el complejo movimiento permitido por el sistema muscular humano.

"Esto es muy parecido a como un titiritero controla una marioneta, pero en este caso la luz sirve como las cuerdas, y podemos crear movimientos dinámicos y reversibles a través del acoplamiento de la energía química, óptica y mecánica", dijo el Dr. Balazs. "Ser capaz de entender cómo diseñar sistemas artificiales con esta compleja integración es fundamental para crear materiales adaptables que puedan responder a los cambios en el entorno. Especialmente en el campo de la robótica suave, esto es esencial para construir dispositivos que exhiban un comportamiento dinámico y controlable sin necesidad de componentes electrónicos complejos".

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.

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