Científicos de NTU Singapur imprimen en 3D tejido activo para dispositivos médicos y robótica blanda

Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur), han desarrollado una innovadora tela vestible que es flexible pero que puede rigidizarse a demanda.

Desarrollada a través de una combinación de diseño geométrico, impresión 3D y control robótico, la nueva tecnología, RoboFabric, puede convertirse rápidamente en dispositivos médicos o robótica blanda, como miembros para drones.

El equipo de investigación de la NTU ha desarrollado un soporte de codo a partir del versátil material, ayudando a las personas a transportar cargas más pesadas. También se ha realizado un prototipo de soporte de muñeca, que podría ayudar a estabilizar las articulaciones para las actividades diarias y beneficiar a los pacientes con enfermedad de Parkinson que experimentan temblores.

Inspirado en las escamas de los pangolines y armadillos que se entrelazan para formar un caparazón protector, el primer paso para fabricar la tecnología pendiente de patente es un algoritmo matemático avanzado que diseña un sistema de baldosas entrelazadas.

Las baldosas impresas en 3D se unen mediante fibras metálicas que pasan a través de pequeños canales entre ellas, o mediante una cubierta externa blanda, que requiere una presión de aire negativa o vacío que se aplique constantemente.

Cuando las fibras se contraen, los azulejos se entrelazan y se rigidizan, aumentando la rigidez de RoboFabric más de 350 veces y proporcionando resistencia y estabilidad adicionales.

Según los hallazgos del equipo de investigación publicados en la revista científica Advanced Materials el mes pasado, la actividad muscular humana se puede reducir hasta en un 40 por ciento cuando el dispositivo ayuda a las articulaciones a levantar cargas.

El científico principal, el profesor asistente de Nanyang Wang Yifan de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la NTU, dijo: “Nos inspiramos en cómo los animales a menudo tienen múltiples funcionalidades para sus extremidades a través del uso de estructuras intrincadas, muy parecidas a la metamorfosis de forma y la variación de rigidez en los pulpos.”

“Imaginamos que en el futuro, los pacientes que necesitan un yeso para las fracturas tendrían la opción de personalizar un soporte para extremidades flexible que sea similar a una tela antes de endurecerse. A diferencia de los yesos rígidos y no extraíbles convencionales, también serían fáciles de poner o quitar con solo presionar un botón. En el uso diario, los soportes para articulaciones también pueden ayudar a los ancianos en sus tareas diarias, ayudando a reducir la fuerza muscular necesaria para cargas más pesadas”, agregó el profesor Wang, quien también es del Centro de Investigación en Robótica de la NTU.

Para personalizar el soporte de la articulación, se escanea en 3D una muñeca o el codo y se carga en un software patentado, a través del cual un algoritmo especial puede diseccionar automáticamente un modelo 3D en docenas de baldosas geométricas que se pueden imprimir en 3D en solo una hora.

Las fibras metálicas deben entonces enhebrarse a través de los agujeros entre los azulejos y conectarse a un dispositivo eléctrico que puede tensar o aflojar rápidamente los cables.

Este proceso de enhebrado se realiza actualmente a mano, pero el equipo dice que podría automatizarse en el futuro, similar a la forma en que las raquetas de bádminton se vuelven a encordar utilizando una máquina.

Dando un comentario independiente sobre la tecnología RoboFabric, el profesor asociado adjunto Loh Yong Joo, Jefe y Consultor Senior del Departamento de Medicina de Rehabilitación del Hospital Tan Tock Seng (TTSH), dijo que la invención de la NTU tiene cierta promesa para aplicaciones en medicina de rehabilitación.

“Esta tecnología podría ser potencialmente útil en varios casos, como las personas con lesiones articulares, ya que podría permitir un ajuste seguro del rango de movimiento durante la recuperación. Para aquellos con debilidad motora en las extremidades superiores, como los pacientes que han sufrido un derrame cerebral, RoboFabric podría brindar apoyo para realizar algunas tareas funcionales”, dijo el profesor Loh, quien también es el Director de Innovaciones Clínicas en TTSH.

“Además, las personas con trastornos del movimiento como la enfermedad de Parkinson pueden beneficiarse de la estabilidad que ofrece RoboFabric, que estabiliza la trayectoria del movimiento para completar tareas funcionales de forma segura. Si se adapta a aplicaciones de rodilla en el futuro, incluso podría servir como una ortesis estabilizadora para mejorar los patrones de marcha y ayudar a prevenir caídas.”

Útil para robots y drones

RoboFabric también se podría aplicar en robótica. En su último trabajo de investigación, publicado en Science Robotics, el equipo del profesor Wang demuestra un pequeño robot hecho de delgadas baldosas en forma de onda selladas en un sobre elástico.

Cuando se aplica un vacío, RoboFabric pasa a su forma designada y se vuelve rígido. A la inversa, cuando se elimina la presión del vacío, se relaja a un estado blando.

Esta actuación de endurecimiento y ablandamiento permite que el pequeño robot se arrastre como un gusano o nade en el agua, lleve pequeñas cargas o proteja activos frágiles formando una cáscara rígida a su alrededor. Estas capacidades son importantes para los robots de exploración y rescate que necesitan moverse en terrenos complejos y brindar protección a demanda.

En otra demostración, cuatro de estos robots se combinan para formar una pinza robótica en un dron. Cuando se vuelve rígido, la pinza blanda se enrosca y puede recoger objetos pequeños, similar a una máquina de garras. Para soltar los objetos, se relaja.

La pinza funciona como una almohadilla amortiguadora para aterrizajes duros cuando se enrosca. Si bien son blandas, las pinzas se pueden plegar en el cuerpo del dron y no afectan su función de vuelo.

El equipo está explorando colaboraciones con socios de la industria que han expresado interés en la tecnología y esperan asociarse con ellos para pruebas de implementación en los sectores de la salud y la robótica, ya que esta tecnología hecha en Singapur ofrece nuevas soluciones para el apoyo médico y mejora la funcionalidad de los drones o robots de exploración.

El proyecto de investigación está respaldado por la subvención de investigación individual de Manufactura, Comercio y Conectividad (MTC) y la subvención de Investigación Individual Joven, administradas por la Agencia de Ciencia, Tecnología e Investigación de Singapur (A*STAR).