Incluso sin un cerebro o un sistema nervioso, la atrapamoscas Venus parece tomar decisiones sofisticadas sobre cuándo cerrar una presa potencial, así como abrirla cuando accidentalmente atrapa algo que no puede comer.
Los investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania se han inspirado en este tipo de sistemas. Utilizando materiales que responden a los estímulos y principios geométricos, han diseñado estructuras que han "incorporado la lógica" a través de su composición física y química solamente., pueden determinar cuál de las múltiples respuestas posibles hacer en respuesta a su entorno.
A pesar de no tener motores, baterías, circuitos o procesadores de ningún tipo, pueden cambiar entre múltiples configuraciones en respuesta a señales ambientales predeterminadas, como humedad o productos químicos a base de aceite.
Usando impresoras 3D de materiales múltiples, los investigadores pueden hacer estas estructuras activas con puertas lógicas anidadas si / luego, y pueden controlar el tiempo de cada puerta, permitiendo comportamientos mecánicos complicados en respuesta a cambios simples en el entorno. Por ejemplo,Al utilizar estos principios, se podría diseñar un dispositivo de monitoreo de la contaminación acuática para abrir y recolectar una muestra solo en presencia de un producto químico a base de aceite y cuando la temperatura supera un cierto umbral.
The Penn Engineers publicó un estudio de acceso abierto que describe su enfoque en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
El estudio fue dirigido por Jordan Raney, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de Penn Engineering, y Yijie Jiang, investigadora postdoctoral en su laboratorio. Lucia Korpas, una estudiante graduada en el laboratorio de Raney, también contribuyó al estudio.
El laboratorio de Raney está interesado en estructuras que son biestables, lo que significa que pueden contener una de dos configuraciones indefinidamente. También está interesado en materiales receptivos, que pueden cambiar su forma en las circunstancias correctas.
Estas habilidades no están intrínsecamente relacionadas entre sí, pero la "lógica incorporada" se basa en ambas.
"La biestabilidad está determinada por la geometría, mientras que la capacidad de respuesta proviene de las propiedades químicas del material", dice Raney. "Nuestro enfoque utiliza la impresión 3D de múltiples materiales para unir estos campos separados para que podamos aprovechar la capacidad de respuesta del material para cambiar nuestras estructuras"parámetros geométricos de la manera correcta "
En trabajos anteriores, Raney y sus colegas habían demostrado cómo imprimir en 3D retículos biestables de vigas de silicona en ángulo. Cuando se presionan juntas, las vigas permanecen bloqueadas en una configuración abrochada, pero se pueden volver fácilmente a su forma expandida.
Este comportamiento biestable depende casi por completo del ángulo de las vigas y de la relación entre su ancho y longitud ", dice Raney." Al comprimir el enrejado se almacena energía elástica en el material. Si pudiéramos usar el entorno de manera controlable para alterar la geometría delas vigas, la estructura dejaría de ser biestable y liberaría necesariamente su energía de deformación almacenada. Tendría un actuador que no necesita electrónica para determinar si debe producirse la actuación y cuándo ".
Los materiales que cambian de forma son comunes, pero el control de grano fino sobre su transformación es más difícil de lograr.
"Muchos materiales absorben agua y se expanden, por ejemplo, pero se expanden en todas las direcciones. Eso no nos ayuda, porque significa que la relación entre el ancho y la longitud de las vigas se mantiene igual", dice Raney. "Nosotrosnecesitaba una forma de restringir la expansión a una sola dirección "
La solución de los investigadores fue infundir sus estructuras impresas en 3D con fibras de vidrio o celulosa, que se ejecutan en paralelo a la longitud de las vigas. Al igual que la fibra de carbono, este esqueleto inelástico evita que las vigas se alarguen, pero permite el espacio entre las fibraspara expandir, aumentando el ancho de las vigas.
Con este control geométrico en su lugar, se pueden lograr respuestas de cambio de forma más sofisticadas alterando el material del que están hechas las vigas. Los investigadores crearon estructuras activas utilizando silicona, que absorbe el aceite, e hidrogeles, que absorben el agua.También se podrían incorporar materiales sensibles a la luz, y se podrían diseñar materiales que respondan a estímulos aún más específicos.
Cambiar la relación longitud / anchura inicial de las vigas, así como la concentración de las fibras internas rígidas, permite a los investigadores producir actuadores con diferentes niveles de sensibilidad. Y debido a que la técnica de impresión 3D de los investigadores permite el uso de diferentesmateriales en la misma impresión, una estructura puede tener múltiples respuestas de cambio de forma en diferentes áreas, o incluso dispuestas en una secuencia.
"Por ejemplo", dice Jiang, "demostramos una lógica secuencial al diseñar una caja que, después de la exposición a un solvente adecuado, puede abrirse y cerrarse de forma autónoma después de un tiempo predefinido. También diseñamos una trampa de Venus artificial que solo puede cerrarsesi se aplica una carga mecánica dentro de un intervalo de tiempo designado, y una caja que solo se abre si hay tanto aceite como agua ".
Tanto los elementos químicos y geométricos de este enfoque de lógica incorporada son independientes de la escala, lo que significa que estos principios también podrían ser aprovechados por estructuras de tamaños microscópicos.
"Eso podría ser útil para aplicaciones en microfluídica", dice Raney. "En lugar de usar un sensor de estado sólido y un microprocesador que constantemente leen lo que fluye hacia un chip microfluídico, podríamos, por ejemplo, diseñar una puerta que se cierre automáticamentesi detecta cierto contaminante "
Otras aplicaciones potenciales podrían incluir sensores en entornos remotos y hostiles, como desiertos, montañas o incluso otros planetas. Sin la necesidad de baterías o computadoras, estos sensores lógicos incorporados podrían permanecer inactivos durante años sin interacción humana, solo actuando.cuando se le presenta la señal ambiental correcta.
La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército, a través del número de subvención W911NF-17-1-0147.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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