Los investigadores han desarrollado un nuevo método para fabricar materiales blandos a escala de milímetro, allanando el camino para microrobots flexibles para ser utilizado en procedimientos médicos y otros entornos de difícil acceso.
El equipo de investigación, formado por miembros del Instituto Wyss de Ingeniería Biológica de Harvard, la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard y la Universidad de Boston, creó una araña robótica para demostrar su tecnología.
Su trabajo se publica en el periódico Materiales avanzados.
El nuevo chico en el bloque
Las películas de ciencia ficción de Hollywood pueden habernos persuadido exitosamente de creer que algún día los robots nos dominarán. Sin embargo, al menos por ahora, los robots están ayudando a los humanos en las aulas, fábricas e incluso quirófanos.
Más recientemente, la robótica blanda, cuyo interior y exterior están hechos de materiales blandos, promete más flexibilidad para trabajar en entornos cambiantes o no estructurados, de una manera que no podría lograrse con los robots rígidos tradicionales.
Debido a su cumplimiento inherente, los robots blandos pueden ser de gran utilidad para los cirujanos. Aunque se han creado robots blandos del tamaño de un centímetro, para navegar de forma segura a través de tejidos delicados en el cuerpo humano, no solo tienen que hacerse más pequeños, sino también realizar múltiples funciones.
"Los sistemas robóticos blandos más pequeños aún tienden a ser muy simples, con generalmente solo un grado de libertad, lo que significa que solo pueden accionar un cambio particular en la forma o tipo de movimiento ", coautor Sheila Russo, quien ayudó a iniciar el proyecto como becario postdoctoral en El grupo de Robert Wood en el Instituto Wyss y SEAS, y ahora es profesor asistente en la Universidad de Boston, dijo en un comunicado.
Madera es el Profesor Charles River de Ingeniería y Ciencias Aplicadas en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard en SEAS, miembro fundador de la facultad del Instituto Wyss, y el fundador del Laboratorio de Microbióticos de Harvard.
Inspirados por una araña de pavo real australiana del tamaño de un milímetro, los investigadores desarrollaron un nuevo proceso de fabricación para diseñar robots a escala milimétrica con múltiples funciones.
"La idea de diseñar y fabricar un robot blando inspirado en un pequeño arácnido proviene del hecho de que incorpora una gran cantidad de desafíos sin resolver en la robótica blanda ", dijo Tommaso Ranzani, el primer autor y autor correspondiente, quien Comenzó el estudio como becario postdoctoral en el grupo de Wood y ahora también es profesor asistente en la Universidad de Boston.
“De hecho, tiene menos de un centímetro de ancho, tiene características de escala micrométrica, una estructura tridimensional bien definida y una gran cantidad de grados de libertad controlables independientemente. Además, se caracteriza por hermosos patrones de color ".
Combinando tres en uno
El nuevo proceso de fabricación, llamado MORPH (Microfluidic Origami for Reconfigurable Pneumatic / Hydraulic) combina tres técnicas de fabricación existentes: litografía suave, micromecanizado por láser y auto plegado inducido por inyección.
Primero, para crear el material exterior del robot, los investigadores utilizaron una técnica de litografía suave para crear capas de silicio 12.
"Este primer sistema MORPH se fabricó en un solo proceso monolítico que se puede realizar en [unos] días y se puede repetir fácilmente en los esfuerzos de optimización del diseño", dijo Ranzani en un comunicado.
Luego, utilizaron el micromecanizado láser para cortar con precisión cada capa de silicio y unir cada una con la que está debajo para crear la estructura rugosa 3D de la araña.
Y los investigadores usaron un método de auto-plegado inducido por inyección para integrar canales microfluídicos huecos con actuadores en cada capa e inyectan estos canales con una resina curable con UV, que se inyecta como líquidos y se solidifica cuando se expone a la luz ultravioleta.
A medida que la resina se solidifica y luego se vuelve líquida dentro de los canales, el robot puede plegarse y desplegarse, yendo de 2D a 3D y viceversa.
"Esta técnica se llama auto-plegado inducido por inyección", Russo dijo en un comunicado.
“Se inspira en el arte de kirigami y origami porque estamos cortando y luego doblando la estructura en la forma que queremos y se puede reconfigurar. Si piensas en los artistas de origami, pueden hacer un cisne de papel, pero luego puedes tomar ese cisne y volver a desplegarlo o doblarlo de una manera diferente y tener otro animal ".
Los actuadores en el abdomen, la cabeza, las mandíbulas y las piernas hacen de este un robot de funcionamiento múltiple, con nueve grados de libertad controlables independientemente y cinco grados estructurales de libertad.
“Al desarrollar una nueva tecnología híbrida que combina tres técnicas de fabricación diferentes, creamos una araña robótica suave hecha solo de caucho de silicona con grados de libertad 18, que abarca cambios en la estructura, el movimiento y el color, y con pequeñas características en el rango de micrómetros, "Russo dijo en un comunicado.
Finalmente, para colmo de males, los investigadores llenaron los canales de agua teñida para imitar los patrones de color extravagantes de una araña de pavo real.
Crédito: Instituto Wyss en la Universidad de Harvard
Abriendo puertas
Ranzani cree que este nuevo proceso de fabricación permitirá a los robots blandos explorar entornos altamente desestructurados y complejos para múltiples aplicaciones, que van desde la manipulación segura y delicada de los tejidos dentro del cuerpo humano hasta la búsqueda y el rescate en áreas peligrosas.
"Esperamos que esta técnica sea instrumental para el desarrollo de una nueva clase de dispositivos quirúrgicos blandos capaces de realizar tareas quirúrgicas avanzadas ”, dijo en un comunicado.
