Investigadores crean cilios artificiales auto-propulsados

Los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) han desarrollado con éxito un cilio artificial auto-propulsado y programable. Este nuevo avance llega después de años de intentos de los científicos para ingeniar cilios artificiales diminutos para sistemas robóticos en miniatura. Los cilios artificiales podrían ayudar a estos sistemas robóticos a realizar movimientos complejos como doblar, girar y revertir.

La investigación se publicó en Nature.

Construcción de microestructuras

Tradicionalmente, la construcción de microestructuras requiere procesos de fabricación multi-etapa y varios estímulos para crear movimientos complejos, lo que ha limitado sus aplicaciones a gran escala.

Las nuevas estructuras a escala micrométrica podrían ser utilizadas para muchas aplicaciones, incluyendo la robótica suave, dispositivos médicos biocompatibles y cifrado de información dinámico.

Joanna Aizenberg es la profesora Army Smith Berylson de Ciencia de Materiales y profesora de Química y Biología Química en SEAS. También es la autora principal del artículo.

“Las innovaciones en materiales auto-regulados adaptables que son capaces de una amplia variedad de movimientos programados representan un campo muy activo, que está siendo abordado por equipos interdisciplinarios de científicos e ingenieros”, dijo Aizenberg. “Los avances logrados en este campo pueden tener un impacto significativo en la forma en que diseñamos materiales y dispositivos para una variedad de aplicaciones, incluyendo la robótica, la medicina y las tecnologías de la información”.

Habilitar la estructura para reconfigurarse y propulsarse

Mientras que la investigación anterior involucraba materiales multicomponentes complejos para lograr los elementos estructurales de estos sistemas, el nuevo equipo diseñó un pilar de microestructura hecho de un solo material. Este material es un elastómero líquido foto-responsivo, que permite que los bloques de construcción se realineen y la estructura cambie de forma cuando la luz golpea la microestructura.

Cuando ocurre el cambio de forma, lo primero que sucede es que el punto donde golpea la luz se vuelve transparente, lo que permite que la luz penetre más profundamente en el material y cause más deformaciones. Después de eso, el material se deforma y la forma cambia, lo que significa que un nuevo punto en el pilar está expuesto a la luz y cambia de forma también.

Este proceso permite que la microestructura se propulse en un ciclo de movimiento.

Shucong Li es un estudiante de posgrado en el Departamento de Química y Biología Química de Harvard, así como co-autor principal del artículo.

“Este bucle de retroalimentación interno y externo nos da un material auto-regulado. Una vez que se enciende la luz, hace todo su propio trabajo”, dijo Li.

El material luego vuelve a su forma original cuando se apaga la luz. Debido a que el material puede girar y cambiar de movimiento con su forma, las estructuras más simples pueden ser reconfiguradas y ajustadas con posibilidades infinitas.

Michael M. Lurch es un becario postdoctoral en el laboratorio de Aizenberg y co-autor principal del artículo.

“Demostramos que podemos programar la coreografía de este baile dinámico ajustando una serie de parámetros, incluyendo el ángulo de iluminación, la intensidad de la luz, la alineación molecular, la geometría de la microestructura, la temperatura y los intervalos y duración de irradiación”, dijo Lerch.

El equipo también demostró cómo los pilares interactúan entre sí como parte de una matriz.

“Cuando estos pilares están agrupados, interactúan de manera muy compleja porque cada pilar deformado proyecta una sombra en su vecino, que cambia a lo largo del proceso de deformación”, dijo Li. “Programar cómo estas sombras auto-expuestas cambian y interactúan dinámicamente entre sí podría ser útil para aplicaciones como el cifrado de información dinámico”.

“El vasto espacio de diseño para movimientos individuales y colectivos es potencialmente transformador para la robótica suave, los caminadores micro, los sensores y los sistemas de cifrado de información robustos”, agregó Aizenberg.

La investigación también incluyó a los co-autores James T. Waters, Bolei Deng, Reese S. Martens, Yuxing Yao, Do Yoon Kim, Katia Bertoldi, Alison Grinthal y Anna C. Balazs.