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Transforman conjuntos robóticos en materiales inteligentes que imitan la vida

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Investigadores han diseñado grupos de robots que se comportan como materiales inteligentes con forma y resistencia ajustables, imitando así los sistemas vivos.

“Hemos descubierto una manera de que los robots se comporten más como un material“, afirmó Matthew Devlin, exinvestigador doctoral en el laboratorio del profesor de ingeniería mecánica Elliot Hawkes, de la Universidad de California en Santa Bárbara (UCSB), y autor principal del artículo.

Compuesto por robots autónomos individuales con forma de disco que parecen pequeños discos de hockey, los miembros del colectivo están programados para ensamblarse en diversas formas con diferentes resistencias materiales.

Un reto de especial interés para el equipo de investigación fue crear un material robótico que fuera rígido y resistente, pero a la vez capaz de fluir cuando se necesita una nueva forma.

“Los materiales robóticos deben ser capaces de adoptar una forma y mantenerla”, explicó Hawkes, “pero también capaces de fluir selectivamente para adoptar una nueva forma“.

Sin embargo, cuando los robots se mantienen fuertemente unidos entre sí en un grupo, no era posible reconfigurarlo de forma que pudiera fluir y cambiar de forma a voluntad. Hasta ahora.

Para inspirarse, los investigadores recurrieron a trabajos previos sobre la forma física de los embriones, realizados por Otger Campàs, exprofesor de la UCSB y actual director del Clúster de Excelencia en Física de la Vida (PoL) de la Universidad Tecnológica de Dresde.

“Los tejidos embrionarios vivos son los materiales inteligentes por excelencia“, afirmó. “Tienen la capacidad de automoldearse, autocurarse e incluso controlar su resistencia material en el espacio y el tiempo”.

Durante su estancia en la UCSB, su laboratorio descubrió que los embriones pueden fundirse como el vidrio para moldearse a sí mismos.

“Para esculpir un embrión, las células de los tejidos pueden alternar entre los estados fluido y sólido; un fenómeno conocido en física como transiciones de rigidez“, añadió.

Durante el desarrollo de un embrión, las células tienen la notable capacidad de organizarse entre sí, transformando al organismo de una masa de células indiferenciadas en un conjunto de formas discretas, como manos y pies, y de diversas consistencias, como huesos y cerebro.

Los investigadores se centraron en facilitar tres procesos biológicos que subyacen a estas transiciones de rigidez:

Las fuerzas activas que las células en desarrollo se aplican entre sí y que les permiten desplazarse; la señalización bioquímica que permite a estas células coordinar sus movimientos en el espacio y el tiempo; y su capacidad de adherirse entre sí, lo que finalmente confiere la rigidez a la forma final del organismo.

En el mundo de los robots, el equivalente a la adhesión celular se logra mediante imanes, incorporados en el perímetro de las unidades robóticas.

Estos permiten que los robots se sujeten entre sí y que todo el grupo se comporte como un material rígido.

Las fuerzas adicionales entre las células se codifican en fuerzas tangenciales entre las unidades robóticas, habilitadas por ocho engranajes motorizados a lo largo del exterior circular de cada robot.

Al modular estas fuerzas entre robots, el equipo de investigación logró reconfigurar colectivos que de otro modo estarían completamente bloqueados y rígidos, permitiéndoles remodelarse.

La introducción de fuerzas dinámicas entre unidades superó el desafío de convertir colectivos robóticos rígidos en materiales robóticos maleables, imitando tejidos embrionarios vivos.

La señalización bioquímica, por su parte, es similar a un sistema de coordenadas global.

«Cada célula conoce su cabeza y su cola, por lo que sabe en qué dirección contraerse y aplicar fuerzas», explicó Hawkes.

De esta manera, el colectivo de células logra cambiar la forma del tejido, por ejemplo, cuando se alinean y alargan el cuerpo.

En los robots, esta hazaña se logra mediante sensores de luz en la parte superior de cada robot, con filtros polarizados.

Cuando se proyecta luz sobre estos sensores, la polarización de la luz les indica en qué dirección girar sus engranajes y, por lo tanto, cómo cambiar de forma.

“Se les puede indicar a todos a la vez, bajo un campo de luz constante, en qué dirección se quiere que vayan, y todos se alinean y hacen lo que necesitan“, añadió Devlin.

Con todo esto en mente, los investigadores lograron ajustar y controlar el grupo de robots para que actuara como un material inteligente: secciones del grupo activarían fuerzas dinámicas entre los robots y fluidificarían el conjunto, mientras que en otras secciones los robots simplemente se sujetarían entre sí para crear un material rígido.

La modulación de estos comportamientos en el grupo de robots a lo largo del tiempo permitió a los investigadores crear materiales robóticos que soportan cargas pesadas, pero que también pueden remodelarse, manipular objetos e incluso autocurarse.

Actualmente, el grupo robótico de prueba de concepto comprende un pequeño conjunto de unidades relativamente grandes (20).

Sin embargo, las simulaciones realizadas por el exbecario postdoctoral Sangwoo Kim en el laboratorio de Campàs, y ahora profesor adjunto en la EPFL, indican que el sistema puede escalarse a un mayor número de unidades miniaturizadas.

Esto podría permitir el desarrollo de materiales robóticos compuestos por miles de unidades, capaces de adoptar una gran variedad de formas y ajustar sus características físicas a voluntad, transformando así el concepto actual de objeto.

Además de aplicaciones más allá de la robótica, como el estudio de la materia activa en física o el comportamiento colectivo en biología, la combinación de estos conjuntos robóticos con estrategias de aprendizaje automático para controlarlos podría generar capacidades extraordinarias en materiales robóticos, convirtiendo un sueño de ciencia ficción en realidad.

Fuente: Science