Imagine un pequeño vehículo autónomo que podría conducir sobre tierra, detenerse y aplanarse en un cuadricóptero. Los rotores comienzan a girar y el vehículo se aleja volando. Mirándolo más de cerca, ¿qué cree que vería? ¿Qué mecanismos tiene?hizo que se transformara de un vehículo terrestre a un cuadricóptero volador? Puede imaginar engranajes y correas, tal vez una serie de diminutos servomotores que colocaron todas sus piezas en su lugar.
Si este mecanismo fue diseñado por un equipo de Virginia Tech dirigido por Michael Bartlett, profesor asistente de ingeniería mecánica, vería un nuevo enfoque para el cambio de forma a nivel de material. Estos investigadores usan caucho, metal y temperatura para transformar materialesy fijarlos en su lugar sin motores ni poleas. El trabajo del equipo ha sido publicado en Ciencia Robótica. Los coautores del artículo incluyen a los estudiantes graduados Dohgyu Hwang y Edward J. Barron III y al investigador postdoctoral ABM Tahidul Haque.
Ponerse en forma
La naturaleza es rica en organismos que cambian de forma para realizar diferentes funciones. El pulpo cambia drásticamente de forma para moverse, comer e interactuar con su entorno; los humanos flexionan los músculos para soportar cargas y mantener la forma; y las plantas se mueven para captar la luz del sol durante todo el día.¿Cómo se crea un material que logre estas funciones para habilitar nuevos tipos de robots multifuncionales y cambiantes?
"Cuando comenzamos el proyecto, queríamos un material que pudiera hacer tres cosas: cambiar de forma, mantener esa forma y luego volver a la configuración original, y hacer esto durante muchos ciclos", dijo Bartlett. "Uno de losdesafíos era crear un material que fuera lo suficientemente suave para cambiar drásticamente de forma, pero lo suficientemente rígido para crear máquinas adaptables que pueden realizar diferentes funciones".
Para crear una estructura que pudiera transformarse, el equipo recurrió al kirigami, el arte japonés de hacer formas con papel recortándolo. Este método difiere del origami, que utiliza el plegado. Al observar la fuerza de esos patrones de kirigami encauchos y compuestos, el equipo pudo crear una arquitectura material de un patrón geométrico repetitivo.
Luego, necesitaban un material que mantuviera la forma pero permitiera borrar esa forma a pedido. Aquí introdujeron un endoesqueleto hecho de una aleación de bajo punto de fusión LMPA incrustado dentro de una piel de goma. Normalmente, cuando un metal esSi se estira demasiado, el metal se dobla, se agrieta o se estira permanentemente hasta adoptar una forma fija e inutilizable. Sin embargo, con este metal especial incrustado en el caucho, los investigadores convirtieron este mecanismo de falla típico en una fortaleza. Cuando se estira, este compuesto ahora aguantaríauna forma deseada rápidamente, perfecto para materiales blandos que se transforman y que pueden convertirse instantáneamente en soportes de carga.
Finalmente, el material tuvo que devolver la estructura a su forma original. Aquí, el equipo incorporó calentadores suaves similares a zarcillos junto a la malla LMPA. Los calentadores hacen que el metal se convierta en líquido a 60 grados centígrados 140 grados Fahrenheit, o el 10 por ciento de la temperatura de fusión del aluminio. La capa de elastómero mantiene el metal fundido contenido y en su lugar, y luego vuelve a colocar el material en su forma original, invirtiendo el estiramiento, dando al compuesto lo que los investigadores llaman "plasticidad reversible". Después de que el metal se enfría, nuevamente contribuye a mantener la forma de la estructura.
"Estos compuestos tienen un endoesqueleto de metal incrustado en una goma con calentadores suaves, donde los cortes inspirados en kirigami definen una variedad de vigas de metal. Estos cortes, combinados con las propiedades únicas de los materiales, fueron realmente importantes para transformarse y fijar su forma rápidamente, luego vuelve a la forma original", dijo Hwang.
Los investigadores descubrieron que este diseño compuesto inspirado en kirigami podía crear formas complejas, desde cilindros hasta bolas y la forma irregular de la parte inferior de un pimiento. El cambio de forma también se podía lograr rápidamente: después del impacto con una bola, la forma cambiaba yfijado en su lugar en menos de 1/10 de segundo. Además, si el material se rompiera, podría curarse varias veces derritiendo y reformando el endoesqueleto de metal.
Un dron para tierra y aire, otro para mar
Las aplicaciones para esta tecnología apenas están comenzando a desarrollarse. Al combinar este material con energía, control y motores a bordo, el equipo creó un dron funcional que se transforma de manera autónoma de un vehículo terrestre a aéreo. El equipo también creó un pequeño y desplegablesubmarino, utilizando la transformación y el retorno del material para recuperar objetos de un acuario raspando el vientre del submarino a lo largo del fondo.
"Estamos entusiasmados con las oportunidades que presenta este material para los robots multifuncionales. Estos compuestos son lo suficientemente fuertes como para resistir las fuerzas de los motores o los sistemas de propulsión, pero pueden transformarse fácilmente, lo que permite que las máquinas se adapten a su entorno", dijo Barron.
Mirando hacia el futuro, los investigadores prevén que los compuestos cambiantes desempeñen un papel en el campo emergente de la robótica blanda para crear máquinas que puedan realizar diversas funciones, autocurarse después de sufrir daños para aumentar la resiliencia y estimular diferentes ideas en las interfaces hombre-máquina ydispositivos portátiles.
Este proyecto fue financiado a través del Premio de Facultad Joven DARPA de Bartlett y la Beca del Director.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Tecnología de Virginia. Original escrito por Alex Parrish. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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