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(Foco Nanowerk) La robótica blanda y los dispositivos biomédicos son campos pioneros que tienen como objetivo desarrollar máquinas y herramientas que imiten la naturaleza blanda y flexible del tejido humano. Esto es fundamental porque permite que estos dispositivos interactúen de forma segura con los humanos y realicen tareas que pueden resultar desafiantes para robots sofisticados. Imagine un robot que pueda agarrar suavemente objetos delicados o un dispositivo médico que se integre perfectamente con el tejido humano.
Los hidrogeles están a la vanguardia para hacer esto posible debido a su capacidad única de cambiar de forma en respuesta a diversos estímulos. Estos materiales son redes de polímeros hinchadas con agua que pueden cambiar de volumen de manera reversible en respuesta a estímulos como la temperatura. Esto los hace prometedores como actuadores blandos: dispositivos altamente elásticos que se deforman y aplican fuerza, permitiendo movimientos realistas importantes para los dispositivos biomédicos y las interacciones seguras entre humanos y robots.
Sin embargo, ha habido obstáculos a la hora de optimizar su rendimiento para aplicaciones del mundo real. La mayoría de los hidrogeles son poroelásticos, lo que significa que sus redes poliméricas resisten la deformación rápida y restringen el flujo de agua interno. Esto da como resultado respuestas de actuación lentas del orden de minutos a horas.
Los hidrogeles de poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) también forman capas externas densas cuando se calientan por encima de su temperatura crítica más baja de solución, lo que ralentiza aún más drásticamente la difusión de agua desde la masa de gel. En conjunto, estos efectos limitan significativamente la velocidad alcanzable, la producción de fuerza y la durabilidad de los actuadores de hidrogel.
Investigadores de la Universidad Christian Albrechts de Kiel y socios de cooperación informan ahora Materiales avanzados (“Superar las limitaciones de difusión de agua en hidrogeles a través de redes microtubulares de grafeno para actuadores blandos”), una solución de micro y nanoingeniería bioinspirada para mejorar el rendimiento de los actuadores de hidrogel.
Al incorporar una red interconectada de microtubos huecos de grafeno en hidrogeles de PNIPAM, el equipo logró una actuación hasta un 400 % más rápida y un voltaje de actuación un 4000 % mayor en comparación con el PNIPAM puro, sin sacrificar la estabilidad mecánica. Los microtubos proporcionan rutas rápidas para el transporte de agua y superan las limitaciones poroelásticas. El grafeno también parece impedir el cierre completo de los poros durante la hinchazón, lo que permite una nueva hinchazón más rápida. La resistencia se conserva con sólo un 5,4 % de porosidad.
![Hidrogeles termosensibles de micro y nanoingeniería elaborados a partir de poli (N-isopropilacrilamida) y grafeno exfoliado (PNIPAM – EG).](https://www.nanowerk.com/spotlight/id63839_1.jpg)
El equipo creó los microtubos recubriendo plantillas de óxido de zinc impresas en 3D con grafeno mediante un proceso químico húmedo. La posterior retirada de la plantilla y el llenado con PNIPAM produjeron actuadores de hidrogel de un centímetro atravesados por los microtubos. Además de mejorar geométricamente el transporte de agua, la interfaz de grafeno también puede perforar las capas de la piel de PNIPAM para facilitar el movimiento del agua.
El grafeno es conductor de electricidad y puede calentarse con luz. Esto permite a los investigadores controlar con precisión la actuación utilizando luz o electricidad. El diferente contenido de grafeno permitió un control preciso de los tiempos de respuesta. Las aplicaciones demostradas incluyeron pinzas de doble capa activadas por iluminación para agarrar y soltar objetos. El calentamiento Joule dio como resultado un cambio de volumen rápido y homogéneo y permitió el accionamiento repetido de una pinza de hidrogel electrificada.
En resumen, los microtubos de grafeno hicieron que los hidrogeles fueran más fuertes y permitieron que el agua se moviera a través de ellos más fácilmente. El enfoque de microingeniería modular probablemente podría extenderse a otros nanomateriales y sistemas poliméricos sensibles. Las mejoras de rendimiento demostradas abordan limitaciones importantes que han limitado la aplicación práctica de los actuadores de hidrogel. Al simplificar el control sin ataduras y mejorar la resistencia, la velocidad y la durabilidad, este avance abre posibilidades en dispositivos biomédicos, robótica blanda, sensores y más.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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