Los materiales blandos también se mueven sincrónicamente

Vástago de una planta de pepino. Las plantas son la principal fuente de inspiración para el desarrollo de nuevos materiales blandos, sensibles a las señales del entorno y que pueden cumplir múltiples funciones.

Los robots vienen en todas las formas y tamaños, pero casi todos constan de múltiples partes hechas de materiales duros, como metal o plástico. Por tanto, son relativamente pesados ​​y de movimientos bastante rígidos. Además, funcionan con electricidad y por tanto se requieren baterías, acumuladores o paneles solares para aportar un peso extra. Frente a estos robots clásicos se encuentran los llamados robótica blanda. Se trata de pequeños robots hechos de materiales blandos, flexibles y elásticos. Estos robots blandos se ven muy diferentes de sus homólogos de acero. Son, por ejemplo, tiras de plástico o bolas de gel, como ositos de goma.

Una ventaja importante de los materiales blandos es su flexibilidad y elasticidad, lo que les permite cambiar de forma temporalmente. Por lo tanto, los robots blandos pueden moverse mucho mejor en terrenos difíciles o desconocidos. Piense en áreas subterráneas y submarinas o en complicados sistemas de tuberías en edificios. Otra gran ventaja es que estos robots pueden prescindir de una fuente de alimentación externa. Las propiedades deseadas están “programadas” en el material. Por lo tanto, el cableado, las baterías, los paneles solares u otros componentes pesados ​​y torpes son innecesarios.

Estos pequeños robots funcionan mejor en grupos, como una bandada de insectos o pájaros. O como sabemos ahora por drones (voladores) muy pequeños. Pero para que un grupo de robots blandos funcione de manera significativa, también deben poder comunicarse entre sí y coordinar sus movimientos. Dado que no contienen componentes eléctricos como chips o antenas, la comunicación debe ser diferente. Los científicos de la Universidad Tecnológica de Eindhoven salen en revista Materiales de la naturaleza ver que los materiales blandos también puedan coordinar sus movimientos. Y eso es muy similar a lo que el científico holandés del siglo XVII Christiaan Huygens vio que sucedía con los relojes de péndulo.

Materiales sensibles

Christiaan Huygens (1629-1695) es uno de los científicos holandeses más importantes. Realizó un trabajo pionero en matemáticas, física y astronomía y, como inventor, también produjo numerosas innovaciones técnicas. Retrato de 1671 de Caspar Netscher, colección Haags Historisch Museum, en exhibición en el Museo Boerhaave.

Los robots blandos solo tienen el material del que están hechos. Por tanto, ese material debe ser sensible a los cambios (como la luz, la temperatura, la acidez o la humedad) del medio ambiente. Los materiales tienen que reconocer y procesar esas señales y luego ajustar su comportamiento y propiedades. Al igual que los materiales vivos en la naturaleza. Por ejemplo girasoles, que giran con la luz del sol o plantas carnívoras que se cierran en cuanto sienten la presión de una mosca que se ha posado sobre ellas. NEMO Kennislink ha escrito anteriormente imitaciones artificiales de tales materiales vivos, como las tiras sensibles a la luz que se enrollan en sacacorchos y pueden mover pequeños pesos o que se mueven como una oruga contrayéndose y soltándose alternativamente.

“Pero en la naturaleza vemos algo más, a saber, el comportamiento colectivo”, dice la química Ghislaine Vantomme, profesora asistente en la Universidad de Tecnología de Eindhoven y primera autora del artículo en Nature Materials. Se refiere al movimiento coordinado de las células del músculo cardíaco o la coordinación entre células que nos da un reloj biológico. Por lo tanto, la pregunta para Vantomme y sus colegas era si los materiales no vivos también podrían coordinar sus movimientos. “Por supuesto, lo sabemos desde hace mucho tiempo para los materiales duros. Christiaan Huygens describió su observación a mediados del siglo XVII de que dos relojes con un reloj de péndulo se mueven sincrónicamente en el tiempo. Más tarde esto también se demostró para los metrónomos. [een instrument dat het tempo in muziek aangeeft, red.]”

Reproducción lenta

Tanto para los relojes de péndulo como para los metrónomos, deben estar separados en la misma superficie. La superficie actúa como medio de comunicación entre los relojes y los metrónomos, moviendo las diferentes vibraciones que eventualmente se fusionan en un ritmo común. Vantomme copió este principio cortando una tira de plástico sensible a la luz casi por la mitad. Esto crea dos tiras que solo se conectan en un lado.

Captura de pantalla de la grabación muy retrasada de las tiras en movimiento.

G. Vantomme / TUE

Alumbró con luz ultravioleta las dos tiras conectadas y el resultado la dejó atónita. “Al principio, las tiras aleteaban a su propio ritmo, pero pronto se convirtió en un todo sincrónico, en el que se movían exactamente igual, por lo que ambos se movían hacia arriba y hacia abajo o exactamente opuestos, uno arriba y otro abajo. Se mueven muy rápido, así que tuvimos que ralentizar la grabación, pero fue genial verlos. ” Se puede ver una grabación muy retrasada de las tiras en movimiento a través del sitio web de TU Eindhoven.

Cristales liquidos

El material que utiliza Vantomme consiste en una red de cristales líquidos dispuestos de manera muy específica. Al irradiar una parte de él con luz ultravioleta, el material en ese lugar se calienta ligeramente, lo que hace que las moléculas de la red se organicen de manera ligeramente diferente. Esto crea tensión en el material porque todo está interconectado y las moléculas quieren permanecer en su lugar en el lado frío y sin luz. El resultado es que la tira se deforma y se dobla sobre sí misma.

En algún momento, la tira se dobla tanto que bloquea el haz de luz incidente. La tira se pone a la sombra, por así decirlo, para que el material se enfríe y la tensión desaparezca. La tira se riza de nuevo a su posición original. Pero luego la luz puede volver a caer sobre él y el proceso comienza de nuevo. El resultado es un movimiento vibratorio rápido, pero muy constante, que continúa sin fin mientras haya luz.

Entonces ahora parece que dos tiras de este material comienzan a moverse juntas. ¿Vantomme realmente no esperaba eso? “Sí y no. Sí, porque los principios físicos que explican por qué vemos esto en materiales duros siguen siendo válidos. Entonces, ¿por qué no deberíamos verlo aquí? Y no, porque son materiales completamente diferentes. Son elásticos y flexibles. Además, nadie había mostrado esto antes, que yo sepa. En última instancia, necesitas un experimento para estar seguro “.

Patear piernas

Las tiras pueden aletear igual o en sentido opuesto. ¿Qué determina eso? “Aún no lo sabemos. Vemos que las tiras tienen que ponerse en marcha un rato antes de que encuentren su ritmo constante y luego empiecen a vibrar en sincronía. Creo que tiene que ver con la posición de las tiras cuando están ‘calentadas'”. “Cuando están juntos, comienzan a moverse de manera uniforme, si están separados, continúan moviéndose en direcciones opuestas. Pero no tengo ninguna evidencia sólida de eso en este momento”.

Vantomme ve este resultado principalmente como una hermosa demostración de un principio: los materiales blandos también son capaces de coordinación mutua y comportamiento colectivo. Además, estos experimentos muestran que un material flexible también puede transmitir información, lo que a su vez es interesante para el desarrollo de robots blandos con nuevas funciones. Ella espera que otros investigadores ahora comiencen a presentar nuevas variaciones y aplicaciones. Ella misma intentará que estos materiales funcionen en el agua. “Veo una especie de robot frente a mí que nada, con dos de esas piernas pateando alternativamente. Si eso tiene éxito, podemos crear todo tipo de aplicaciones. “