Investigadores de la Universidad de Harvard han desarrollado recientemente un nuevo conjunto de tecnología de impresión 3D que puede imprimir directamente fibras musculares biónicas con "capacidades de movimiento programadas", dando un paso clave para que los robots logren un movimiento flexible más cercano a los humanos. La industria cree que se espera que este logro cambie la forma en que se diseñan los robots blandos, los dispositivos médicos y las estructuras inteligentes.
La comunidad de ingenieros lleva mucho tiempo creando estructuras similares a huesos, nervios y sistemas sensoriales para robots, pero los músculos siempre han sido los más difíciles de simular. Los robots tradicionales se basan principalmente en motores y accionamientos de sistemas hidráulicos y neumáticos. Aunque sus movimientos son precisos y poderosos, suelen tener estructuras rígidas, mecanismos complejos y posturas poco elegantes. Es difícil lograr movimientos fluidos, suaves y finamente controlados similares a los del cuerpo humano. Anteriormente, los investigadores han intentado utilizar músculos artificiales neumáticos, aleaciones sensibles al calor, polímeros sensibles a la electricidad, materiales magnéticos y sistemas de cables que imitan los tendones humanos para lograr el control del software. Sin embargo, a menudo requieren compresores externos voluminosos, dispositivos de alto voltaje o mecanismos complejos, lo que dificulta lograr simultáneamente ligereza, capacidad de respuesta y una fabricación compleja.
El nuevo método propuesto por el equipo de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard intenta "construir" la lógica del movimiento desde el nivel material. Los investigadores utilizaron tecnología de impresión 3D para imprimir con precisión dos tipos de materiales blandos uno al lado del otro en delgadas fibras "musculares" biónicas: uno es un "material activo" de elastómero de cristal líquido que cambia de forma cuando se expone al calor, y el otro es un material de "elastómero pasivo" que resiste la deformación. Al girar la boquilla durante el proceso de impresión, el equipo escribió patrones de orientación molecular helicoidales a escala microscópica, controlando así con precisión el comportamiento de respuesta en diferentes áreas.
En condiciones de calentamiento, el elastómero de cristal líquido "activo" se contrae siguiendo una determinada dirección de disposición molecular, mientras que el material "pasivo" estrechamente unido a él forma una resistencia a esta contracción. Como resultado, toda la fibra sufrirá deformaciones complejas como doblarse, torcerse, rizarse e incluso enrollarse. Al cambiar la disposición de los dos materiales y los parámetros de rotación de la boquilla, los investigadores pueden preestablecer diferentes trayectorias de deformación dentro de una sola fibra, lo que le permite estirarse, encogerse, envolverse en espiral o desplegarse de una manera predeterminada cuando se calienta, sin la necesidad de engranajes adicionales, uniones rígidas o mecanismos posteriores al ensamblaje.
En la demostración experimental, el equipo imprimió una variedad de estructuras reticulares suaves y fibras onduladas, y observó sus métodos únicos de deformación mediante calentamiento. Algunas estructuras se expanden significativamente en volumen después del calentamiento, mientras que otras se contraen en su conjunto; la celosía plana puede abultarse hasta formar una superficie curva en forma de cúpula después de calentarse, lo que muestra importantes capacidades de deformación tridimensional. Los investigadores también han utilizado este tipo de material para crear un agarre suave que puede caer y envolverse al acercarse a un objeto, luego apretarse para completar el agarre y luego aflojarse y soltarse debido a los cambios de temperatura, logrando un proceso de agarre flexible similar al de una mano humana.
Según el equipo de investigación, se espera que esta tecnología se utilice en campos como manipuladores blandos adaptativos, estructuras de regulación y filtrado activo, dispositivos biomédicos, componentes sensibles a la temperatura y sistemas robóticos deformables. En comparación con los métodos de conducción tradicionales, este método es altamente compatible con el proceso de impresión 3D y favorece la fabricación de estructuras internas complejas y altamente personalizadas, haciendo posibles combinaciones geométricas y de movimiento que antes eran difíciles de lograr con actuadores convencionales.
Sin embargo, el sistema actual todavía tiene limitaciones importantes. En la actualidad, la activación de la fibra se basa principalmente en la estimulación térmica, lo que dificulta igualar los sistemas motores maduros en términos de velocidad de respuesta y eficiencia energética, y la capacidad de salida general no es suficiente para reemplazar completamente los actuadores robóticos tradicionales en escenarios de alta potencia. Los investigadores dijeron que los materiales y diseños estructurales relevantes aún se encuentran en la etapa experimental y deben optimizarse continuamente en términos de métodos de estimulación, durabilidad, eficiencia de utilización de energía, etc. antes de que realmente puedan avanzar hacia aplicaciones comerciales y de ingeniería.
Esta investigación fue realizada por un equipo de la Universidad de Harvard y los resultados detallados se publicaron a través de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la escuela.