Inspirado en las mariposas: propulsión inteligente para los robots del futuro
Los microscrolls de pentóxido de vanadio controlables magnéticamente pueden mover 30 veces su propio peso
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Investigadores de la Universidad de Stuttgart y del Instituto Max Planck de Investigación del Estado Sólido han desarrollado unos diminutos rollos que pueden desenrollarse y enrollarse de forma controlada mediante un imán. El modelo en el que se han inspirado es la probóscide de las mariposas. Estos materiales inteligentes permiten desarrollar tecnologías de accionamiento más eficientes para la microrrobótica y la robótica blanda, un campo de investigación de gran importancia económica. Los resultados se han publicado en la revista Advanced Materials.
Los nuevos sistemas robóticos acaparan cada vez más los titulares: los microrrobots son robots extremadamente pequeños con posibles aplicaciones en campos como la medicina y la industria. Al mismo tiempo, el campo de la robótica blanda —que se basa en materiales flexibles y adaptables— avanza para hacer que los robots sean más adaptables y seguros. Al igual que en la robótica (macroscópica), los actuadores también deben controlar los movimientos o las pinzas en la microrrobótica y la robótica blanda. Sin embargo, dado que los sistemas completos en microrrobótica son mucho más pequeños y, en robótica blanda, deben ser elásticamente deformables, esto plantea requisitos totalmente nuevos para los componentes de dichos sistemas. A menudo, estos requisitos solo pueden satisfacerse utilizando nuevos materiales. Aquí es donde entró en escena el equipo dirigido por la Dra. Zaklina Burghard, jefa de grupo en el Instituto de Ciencia de los Materiales de la Universidad de Stuttgart.
«La microrrobótica y la robótica blanda requieren actuadores que permitan a los sistemas robóticos agarrar, moverse e interactuar con su entorno», afirma Burghard. «No nos limitamos a desarrollar otro actuador más. Hemos creado una plataforma de fabricación que transforma películas funcionales ultrafinas en microrollos cerámicos tridimensionales programables en cuestión de segundos. Estos microrollos sirven como elementos de accionamiento compactos para futuros sistemas robóticos». La plataforma tecnológica es el último resultado de la larga investigación de Burghard sobre sistemas de materiales cerámicos bioinspirados.
Inspirados en la probóscide de la mariposa
La mariposa no inspiró la función biológica del actuador, sino el elegante movimiento de enrollamiento y desenrollamiento de su probóscide. Este movimiento característico se convirtió en el punto de partida para desarrollar los nuevos microrollos cerámicos. Los investigadores fabricaron películas ultrafinas de pentóxido de vanadio que contenían nanopartículas magnéticas de óxido de hierro y las transformaron en microrollos tridimensionales mediante un sencillo proceso mecánico.
Para fabricar los microrollos, las películas cerámicas ultrafinas se despegan con cuidado de su sustrato con una cuchilla de afeitar. Actuando de forma muy similar a un cepillo de carpintería en miniatura, la cuchilla dobla continuamente la película liberada, haciendo que se enrolle en un microrollo muy apretado en cuestión de segundos. Al acercar un imán al microrollo, este se desenrolla rápidamente; al retirar el campo magnético, vuelve a enrollarse.
A diferencia de la cerámica convencional, estas películas ultrafinas no son frágiles, sino flexibles. Su inusual comportamiento mecánico se debe a una nanoestructura y microestructura jerárquicas inspiradas en la biología, que permiten una deformación elástica al tiempo que preservan la integridad estructural del material cerámico.
Los diminutos microrollos cerámicos levantan más de 30 veces su propio peso
Los investigadores han fabricado rollos de unos pocos micrómetros de ancho que, cuando están enrollados, tienen un diámetro de solo unos pocos cientos de micrómetros. Una vez desenrollados, alcanzan una longitud de hasta 25 mm. En los experimentos, los rollos han demostrado ser muy duraderos: incluso tras 5.000 ciclos, siguen funcionando a la perfección. Los microrrodillos cerámicos son capaces de mover más de 30 veces su propio peso. «Los microrrodillos también pueden organizarse en matrices programables», afirma Burghard. «Esto permite que varios actuadores funcionen simultáneamente y realicen tareas coordinadas, como levantar, transportar o manipular objetos microscópicos».
Se eligió el pentóxido de vanadio como material modelo porque ha sido el eje central de la investigación de Burghard durante muchos años y proporcionaba la base ideal para desarrollar la nueva plataforma de fabricación.
«Para mí, el actuador es solo el principio», afirma Burghard. «La verdadera innovación es la propia plataforma de desplazamiento. Se puede aplicar a muchos materiales diferentes de película fina, tanto orgánicos como inorgánicos, lo que abre la puerta a microsistemas programables completamente nuevos». Más allá de la microrrobótica y la robótica blanda, la plataforma podría dar lugar a futuros componentes electrónicos, sensores, dispositivos de almacenamiento de energía y otros microsistemas multifuncionales adaptados a aplicaciones específicas.
La naturaleza como modelo para los materiales del futuro
El desarrollo de los microcarretes cerámicos magnéticos se inició en el marco de un proyecto de investigación financiado por la DFG y dirigido por Burghard. Como parte de este proyecto, Semi Kim llevó a cabo los primeros estudios experimentales durante su tesis de máster en 2023, sentando así las bases para el presente estudio. Partiendo de estos resultados iniciales, el equipo de investigación amplió y perfeccionó aún más el concepto.
La investigación se lleva a cabo en el Departamento de Materiales Bioinspirados del Instituto de Ciencia de los Materiales. «En nuestro departamento, combinamos la naturaleza como fuente de inspiración con la ciencia moderna de los materiales. Los estudiantes aprenden cómo se integran los principios de la física, la química, la modelización computacional y el diseño de materiales bioinspirados para desarrollar la próxima generación de materiales funcionales y microsistemas programables. Este enfoque interdisciplinario único se refleja directamente en nuestra investigación», afirma Burghard. «Nuestro trabajo aúna conceptos bioinspirados, nanomateriales cerámicos, funcionalidad magnética, mecánica y fabricación avanzada en una única plataforma para los microsistemas programables del futuro».
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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