Material sintético permite que robots suaves “crezcan” como plantas

Un equipo de científicos e ingenieros de la Universidad de Minnesota ha desarrollado un proceso de extrusión inspirado en las plantas que permite el crecimiento de materiales sintéticos, lo que podría permitir que los robots suaves “crezcan” como plantas. El método es innovador y nuevo, y los robots resultantes podrían navegar por lugares estrechos, terrenos complicados y incluso áreas dentro del cuerpo humano.

La investigación, que fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias, se publicó en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS).

Robots que “crecen” mientras se mueven

Chris Ellison es el autor principal del artículo y profesor en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota Twin Cities.

“Esta es la primera vez que se han demostrado fundamentalmente estos conceptos”, dijo Ellison. “Desarrollar nuevas formas de fabricación es fundamental para la competitividad de nuestro país y para llevar nuevos productos a las personas. En el lado de los robots, los robots se están utilizando cada vez más en entornos peligrosos y remotos, y estos son los tipos de áreas donde este trabajo podría tener un impacto”.

Los robots suaves son robots hechos de materiales suaves y flexibles en lugar de materiales rígidos, y estos nuevos tipos de robots suaves que crecen pueden generar nuevo material y “crecer” mientras se mueven. Podrían aplicarse en una variedad de aplicaciones, y son especialmente útiles para navegar por áreas remotas que los humanos no pueden acceder. Las aplicaciones en la vida real podrían incluir inspecciones o instalación de tubos subterráneos, o navegar dentro del cuerpo humano.

Los robots suaves que crecen que tenemos actualmente dejan un rastro de material sólido detrás de ellos, y utilizan calor y/o presión para transformar el material en una estructura más permanente. Los investigadores comparan esto con una impresora 3D, que se alimenta de filamento sólido para producir un producto con forma. A pesar de esto, el material suave se vuelve difícil cuando el robot tiene que moverse alrededor de curvas, lo que significa que es difícil para los robots navegar ciertos obstáculos.

Desarrollando nuevos medios de extrusión

Para abordar este problema, el equipo desarrolló un nuevo medio de extrusión. El nuevo proceso implica que el material se empuja a través de una abertura para crear una forma específica, y permite que el robot cree su material sintético a partir de líquidos en lugar de sólidos.

Matthew Hausladen es el autor principal del artículo y estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota Twin Cities.

“Estábamos realmente inspirados por cómo las plantas y los hongos crecen”, dijo Hausladen. “Tomamos la idea de que las plantas y los hongos agregan material al final de sus cuerpos, ya sea en las puntas de las raíces o en los nuevos brotes, y lo tradujimos a un sistema de ingeniería”.

Los investigadores querían imitar el proceso de las plantas que utilizan agua para transportar los bloques de construcción que se transforman en raíces sólidas a medida que la planta crece hacia afuera. Para lograr esto con material sintético, el equipo se basó en una técnica llamada fotopolimerización, que utiliza la luz para transformar monómeros líquidos en un material sólido. El robot suave puede utilizar esta tecnología para navegar obstáculos y curvas con más facilidad sin necesidad de arrastrar material sólido.

Aplicaciones reales potenciales

El equipo dice que el nuevo proceso también podría aplicarse en la fabricación, especialmente en aplicaciones que utilizan calor, presión y maquinaria para crear y dar forma a materiales que podrían no ser necesarios.

“Una parte muy importante de este proyecto es que tenemos científicos de materiales, ingenieros químicos e ingenieros robóticos todos involucrados”, continuó Ellison. “Al combinar todos nuestros diferentes conocimientos, realmente trajimos algo único a este proyecto, y estoy seguro de que ninguno de nosotros podría haberlo hecho solo. Este es un gran ejemplo de cómo la colaboración permite a los científicos abordar problemas fundamentales difíciles mientras también tienen un impacto tecnológico”.

El equipo de investigadores también incluye a los investigadores de la Universidad de Minnesota del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales Boran Zhao (investigador postdoctoral) y Lorraine Francis (Profesora Distinguida de la Facultad de Ciencia e Ingeniería); y los investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Minnesota Tim Kowalewski (profesor asociado) y Matthew Kubala (estudiante de doctorado).