Garra química que se dobla y estira con vapores

Científicos de la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología (KAUST) en Arabia Saudita han desarrollado un pequeño “juego de garras” que puede recoger y soltar una bola del tamaño de una canica en respuesta a la exposición a vapores químicos.

Los hallazgos, publicados el 12 de julio en la revista Chem, apuntan a una técnica que puede permitir que los actuadores blandos —las partes de una máquina que la hacen moverse— realicen múltiples tareas sin necesidad de materiales adicionales costosos. Si bien los actuadores blandos existentes pueden ser “caballos de un solo truco” limitados a un tipo de movimiento, esta novedosa película compuesta se contorsiona de diferentes maneras dependiendo del vapor al que se expone.

“Puede doblarse y estirarse dependiendo de las interacciones moleculares, lo cual es muy sofisticado a este rango de tamaño”, dice la autora Niveen M. Khashab, profesora de Química en KAUST. “Esperamos que nuestros hallazgos se utilicen para desarrollar sistemas robóticos blandos avanzados capaces de movimientos precisos y adaptables en varios entornos”, dice, sugiriendo que los sistemas podrían utilizarse en dispositivos médicos, automatización industrial y herramientas para medir la temperatura, la calidad del aire y la humedad.

Para poner a prueba la capacidad del juego de garras para realizar múltiples tareas, los investigadores primero lo expusieron a acetona. En presencia de este vapor, el dispositivo agarró una bola de algodón roja y se estiró para poder dejarla caer en una caja. Cuando el equipo expuso la máquina al vapor de etanol, agarró la bola de algodón y la sacó de la caja.

A diferencia de los actuadores rígidos de los “robots duros”, que pueden estar hechos de metal o plástico duro, los actuadores blandos son flexibles, lo que les permite realizar una gama de tareas que sus homólogos rígidos no pueden. Como resultado, los actuadores blandos han sido la tecnología de elección para aplicaciones de vanguardia como la agricultura de precisión, la exploración de aguas profundas y los dispositivos portátiles.

Pero los actuadores blandos todavía tienen limitaciones: pueden doblarse, girar o estirarse, pero ningún actuador puede moverse de múltiples maneras, lo que les impide realizar tareas más complejas que les permitirían una gama aún mayor de usos. Si bien los investigadores han experimentado recientemente con diseños de actuadores para dar a los dispositivos un mayor rango de movimiento, muchas de estas estrategias implican combinar diferentes materiales, lo que las hace costosas y difíciles de fabricar, además de aumentar su riesgo de falla mecánica.

Para superar este desafío, Khashab y sus colegas desarrollaron un juego de garras hecho de una matriz polimérica que contiene jaulas moleculares con el compuesto orgánico urea. Los investigadores eligieron la urea para las jaulas porque el compuesto puede formar múltiples enlaces de hidrógeno, lo que permite que las moléculas de urea se reconfiguren rápidamente cuando se exponen a diferentes moléculas en los vapores. Como resultado, las propiedades del material se pueden controlar con precisión, lo que facilita su personalización.

Los hallazgos sugieren que el material del que está hecha la máquina se puede “programar eficazmente para lograr movimientos complejos controlando cuidadosamente el tipo y la concentración del estímulo de vapor”, escriben los autores.

“El hallazgo más notable fue el comportamiento único de actuación donde el actuador blando realizó un movimiento complejo que implicaba ‘curvatura, estiramiento y reversión’, lo que no se había informado anteriormente”, dice Khashab.

A continuación, Khashab y sus colegas planean estudiar la densidad de energía del juego de garras y la eficiencia con la que convierte la energía para poder mejorar su rendimiento, dice. También pondrán a prueba su capacidad para producir señales eléctricas cuando el actuador blando se combine con materiales que generan una carga eléctrica, con el objetivo final de desarrollar dispositivos electrónicos portátiles flexibles, dice Khashab.

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Este trabajo fue financiado por la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología (KAUST).

Chem, Liu y Fang et al. “Promoting stimuli-responsive motion in soft matter by host-guest interactions”

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