(noticias nanowerk) Durante décadas, los científicos han imaginado un futuro en el que robots ágiles podrían atravesar terrenos accidentados y meterse en espacios reducidos, ideal para misiones de búsqueda y rescate, inspecciones industriales y procedimientos médicos. Sin embargo, los robots rígidos tradicionales hechos de materiales duros como los metales han demostrado ser inadecuados para navegar en entornos impredecibles. Como resultado, los investigadores recurrieron a la robótica blanda y construyeron máquinas flexibles a partir de polímeros elásticos e hidrogeles. Pero desarrollar robots blandos verdaderamente eficaces ha demostrado ser un desafío duradero.
Una dificultad central es moverse. A diferencia de los robots tradicionales con ruedas o patas, los robots continuos blandos no tienen articulaciones separadas. Posibles soluciones, como combustibles químicos y redes neumáticas integradas, aumentan el volumen y reducen la durabilidad. Esto ha despertado el interés en actuaciones remotas que utilizan la luz para activar el movimiento de forma inalámbrica mediante la estimulación de materiales que cambian de color. El control óptico permite una activación rápida y precisa sin componentes integrados voluminosos.
Se han demostrado varios robots blandos impulsados por luz, pero la mayoría hasta la fecha se basan en complicadas geometrías impresas en 3D para producir propulsión neta hacia adelante a través de la expansión y contracción isotrópica de geles fotosensibles. Estos diseños estructurales complejos son difíciles de fabricar y requieren procesos complejos de varios pasos y equipos especializados costosos. Los actuadores planos más simples que se contraen y se hinchan simétricamente tienden a simplemente oscilar en su lugar. Como resultado, los robots blandos que funcionan con luz existentes suelen ser lentos, ineficientes, limitados a entornos confinados como líquidos e incapaces de imitar una locomoción robusta en la Tierra.
Ahora, investigadores de la Universidad de Tecnología Química de Beijing han desarrollado robots rastreros suaves que se mueven como lombrices cuando se iluminan con luz infrarroja. Su enfoque combina películas de polímero de cristal líquido (LCP) fácilmente disponibles con una estructura de cerdas de inspiración biológica, lo que proporciona tracción direccional en superficies planas sin una compleja impresión 3D. Esto representa un paso importante hacia robots blandos prácticos que puedan superar la variabilidad de los entornos del mundo real.
Los resultados fueron publicados en Sistemas inteligentes avanzados (“Robot blando que se arrastra fototérmicamente con estructura de cerdas biónicas similares a las de una lombriz de tierra”).
Los investigadores se inspiraron en las lombrices de tierra, que utilizan hileras de cerdas en ángulo en su parte inferior para crear asimetría y tirar hacia adelante cuando los músculos se contraen. En teoría, la integración de cerdas similares con un material sensible a la luz podría crear una fluencia que se activa de forma remota con la luz.
Los LCP demostraron ser un material actuador ideal debido a sus cambios de longitud reversibles inducidos por la luz infrarroja. A bajas temperaturas, las moléculas de LCP se alinean, lo que hace que la película se alargue y se enderece. La irradiación infrarroja aumenta la temperatura lo suficiente como para aleatorizar y acortar las moléculas de LCP. Este efecto fototérmico es rápido, repetible y genera tensiones importantes que pueden provocar trabajo mecánico.
Las películas de LCP representaban el «músculo», mientras que las cerdas creaban fuerzas de fricción dirigidas. Las cerdas inclinadas hacia atrás se deslizaban hacia adelante fácilmente pero evitaban que retrocedieran, tal como la anatomía de la lombriz de tierra. Esto permitió que las cerdas fueran atraídas hacia la luz infrarroja mediante una contracción periódica del LCP, mientras que la relajación del LCP hizo que las cerdas volvieran a su orientación original. Ajustar la fuerza del actuador LCP permitió repetir secuencias que avanzaban sobre superficies planas de papel.
Para realizar este diseño bioinspirado, fue necesario determinar las configuraciones óptimas de las cerdas e integrar los componentes en un robot multisegmento eficaz. Las pruebas sistemáticas de los ángulos y longitudes de las cerdas revelaron que una inclinación hacia atrás de 60° maximizaba la asimetría en el papel, y las cerdas más largas aumentaban desproporcionadamente la fricción en comparación con el movimiento hacia atrás. Esto permitió que la contracción del LCP superara fuerzas de fricción hacia adelante más pequeñas.
Los investigadores construyeron robots de tres partes con secciones de cerdas delanteras y traseras conectadas por un actuador LCP centrado. Esto permitió que las cerdas se deslizaran independientemente unas de otras en lugar de simplemente doblarse en su lugar. Al ajustar el número de capas de LCP, la fuerza del actuador se ajustó a la fricción de las cerdas. Demasiado débil y el robot se esforzó pero no resbaló; demasiado fuerte y las cerdas se rompieron. Con el equilibrio adecuado, los robots se arrastraban continuamente a más de 4 mm/min cuando se los iluminaba con luz infrarroja en escala de milivatios desde una distancia de hasta 15 cm.
Al variar la intensidad infrarroja y la longitud del actuador, se modularon aún más la velocidad y el paso, destacando la versatilidad del enfoque. La simplicidad de los componentes y el proceso de fabricación sugiere aplicaciones como cámaras de inspección que podrían atravesar grietas y hendiduras inaccesibles para los robots tradicionales.
Esta novedosa integración de asimetría bioinspirada y materiales fotosensibles resuelve un desafío clave que anteriormente había limitado a los robots blandos impulsados por luz. La locomoción sin complejos movimientos 3D programados ni dependencia de las características ambientales hace que esta estrategia sea más adaptable y escalable. A continuación, los investigadores quieren maximizar la velocidad y la eficiencia del rastreo. A largo plazo, ven posibilidades como robots que puedan sobrevivir arrastrándose entre los escombros en busca de supervivientes o construyendo infraestructuras en otros planetas.
Al imitar las elegantes soluciones de la naturaleza, la robótica blanda está haciendo cada vez más tangible la visión de las máquinas robóticas de músculos artificiales del mundo real. Esta investigación proporciona una valiosa contribución que permite a los robots blandos abandonar entornos de laboratorio controlados y arrastrarse hasta donde las personas los necesitan.
