Un robot kirigami a microescala se pliega en 3D y repta
Un robot de 1 milímetro, construido con paneles hexagonales de dióxido de silicio y más de doscientas finas bisagras, gira y se mueve con solo una chispa de energía.
Por David Nutt
Este es el aspecto del microrrobot kirigami de un milímetro capaz de expandirse, contraerse y desplazarse. Imagen: Cornell
El legado en el campo de la robótica a microescala de la Universidad Cornell, en Estados Unidos, sigue desplegándose, y volviéndose a desplegar.
La última novedad es un robot de menos de un milímetro de tamaño que se imprime como una metamalla hexagonal 2D pero que, con una descarga eléctrica, adopta formas 3D preprogramadas y es capaz de reptar.
La versatilidad del robot se debe a un novedoso diseño basado en el kirigami, un primo del origami en el que los cortes en el material —la palabra japonesa kiru significa cortar— le permiten plegarse, expandirse y desplazarse de un lugar a otro. El robotito ha sido presentado en la revista in Nature Materials por los investigadores posdoctorales Qingkun Liu y Wei Wang.
El proyecto ha sido dirigido por Itai Cohen, catedrático de Física de la Facultad de Artes y Ciencias (A&S), cuyo laboratorio ha producido anteriormente sistemas microrobóticos capaces de accionar sus extremidades, bombear agua mediante cilios artificiales y caminar de forma autónoma. El robot kirigami es el siguiente paso en esa evolución, en la que participan investigadores de diferentes centros de investigación estadoundenses.
«En cierto sentido, los orígenes del robot kirigami se inspiraron en «organismos vivos que pueden cambiar su forma —dice Liu. Y añade—: Pero cuando se hace un robot, una vez fabricado, puede mover algunas extremidades, pero su forma general suele ser estática. Por eso hemos creado un robot metamórfico. Meta significa metamaterial, es decir, que se compone de un montón de bloques de construcción que trabajan juntos para dar al material sus comportamientos mecánicos».
El robot kirigami es un mosaico hexagonal compuesto por aproximadamente cien paneles de dióxido de silicio que están conectados a través de más de doscientas bisagras de accionamiento. Cortesía: Cornell
Tales metamateriales a menudo pueden diseñarse para tener propiedades que son difíciles de lograr con materiales naturales, según Wang.
El robot es un mosaico hexagonal compuesto por un centenar de paneles de dióxido de silicio conectados entre sí por más de doscientas bisagras de unos 10 nanómetros de grosor cada una. Cuando se activan electroquímicamente mediante cables externos, las bisagras forman pliegues de montaña y valle y actúan para abrir y girar los paneles, lo que permite al robot cambiar su área de cobertura y expandirse y contraerse localmente hasta un 40%.
Dependiendo de las bisagras que se activen, el robot puede adoptar diversas formas y envolverse alrededor de otros objetos, para luego volver a desplegarse en una hoja plana. Así es el kirigami.
«En el origami, si quieres crear formas tridimensionales, por lo general has de ocultar el exceso de material dentro del objeto 3D que estás haciendo —explica Cohen. Y aclara—: Pero con el kirigami, no tienes que ocultar nada. Por supuesto, no es una hoja contigua, por lo que tiene agujeros, pero no tiene que perder ningún material. Es una forma mucho más eficiente de generar una forma tridimensional".
Un tremendo microdesafío
La creación de este tipo de máquina a microescala fue un proceso largo e intrincado, desde descubrir cómo enhebrar cables eléctricos a través de las diversas bisagras hasta determinar el equilibrio ideal de flacidez y rigidez para que el robot hiciera y mantuviera su forma. Uno de los desafíos más importantes fue idear una forma de que algo con tantas partes móviles se moviera a sí mismo.
«Ante una lámina de kirigami, tienes cientos de posibles puntos de contacto con el suelo. Y así, durante mucho tiempo, estuvimos confundidos sobre qué partes del robot debían estar en contacto con el suelo para hacer que el robot se moviera», dice el investigador postdoctoral y coautor del ingenio Jason Kim, del Laboratorio de Física Atómica y del Estado Sólido, en la Universidad de Cornell.
Los investigadores envolvieron una hoja meta a escala milimétrica alrededor de una parte del brazo y el cuerpo de la Estatua de la Libertad en una moneda de veinticinco centavos de Estados Unidos. El metabot cambió su forma para adaptarse a los contornos de la estatua.
Kim acabó dándose cuenta de que si, en lugar de utilizar la fricción, podía hacer que el robot nadara a través de su entorno cambiando su forma, las fuerzas se volvían mucho más consistentes. Por supuesto, nadar a microescala es muy distinto de nadar en una piscina. A esa escala, resulta más parecido a nadar en una cuba de miel.
«Cambiando la forma del robot para que distintas partes estuvieran más cerca del suelo en distintos puntos de la marcha, podíamos utilizar de forma fiable las fuerzas de arrastre del fluido para impulsar la hoja hacia delante», explica Kim.
Según Cohen, esta es una de las particularidades de los robots microscópicos. «La física de la locomoción a microescala —dice— suele ser distinta de la de los robots de locomoción macroscópica».
Si les pinchas, huyen
El equipo de Cohen ya está pensando en la siguiente fase de la tecnología de metasheets. Anticipan combinar sus estructuras mecánicas flexibles con controladores electrónicos para crear materiales elastrónicos ultrasensibles con propiedades que nunca serían posibles en la naturaleza.
Las aplicaciones podrían ir desde micromáquinas reconfigurables hasta dispositivos biomédicos miniaturizados y materiales que pueden responder al impacto casi a la velocidad de la luz, en lugar de a la velocidad del sonido.
«Como la electrónica de cada uno de los bloques puede recoger energía de la luz, se puede diseñar un material que responda de forma programada a diversos estímulos. Cuando se les pincha, estos materiales, en lugar de deformarse, pueden huir o retroceder con más fuerza de la que han experimentado —explica Cohen. Y concluye—: Creemos que estos metamateriales activos —estos materiales elastrónicos— podrían constituir la base de un nuevo tipo de materia inteligente regida por principios físicos que trascienden lo que es posible en el mundo natural». ▪️
Información facilitada por la Universidad Cornell -Adaptación: Enrique Coperías / RexMolón Producciones
Fuente: Liu, Q., Wang, W., Sinhmar, H. et al. Electronically configurable microscopic metasheet robots. Nature Materials (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-024-02007-7
