Robótica
‘Metal Pegajoso’ podría tener aplicaciones generalizadas en robótica, almacenamiento de energía e incluso soluciones biotecnológicas
Metal Pegajoso para Robótica Blanda
Un problema con el que el desarrollo en robótica sigue tropezando es la creación de robots y sistemas que puedan lidiar con el mundo real. Esto a menudo requiere flexibilidad y partes “blandas”, en lugar de construcciones puramente mecánicas.
Se están experimentando diferentes enfoques. Notablemente, informamos previamente sobre uno: crear un nuevo material magnético para crear los llamados “soft robotics”, que discutimos en detalle en nuestro artículo “Magnetic Gel Capsules Could Advance Both Robotics and Medicine“.
Sin embargo, otro enfoque sería unir partes metálicas y blandas. Esto ha sido históricamente difícil, siendo las uniones metal‑orgánicas el principal problema.
Este problema podría haber sido resuelto por los investigadores Wenhao Xu, Faraz A. Burni y Srinivasa R. Raghavan, que trabajan en la Universidad de Maryland, EE. UU. Desarrollaron un tipo de “metal pegajoso” capaz de crear una unión fuerte y duradera con la mayoría de los materiales blandos como hidrogel, músculos y plantas.
Cómo funciona el Metal Pegajoso
El descubrimiento se basa en un nuevo principio que los investigadores denominaron electroadhesión duro‑blando (EA).
Todavía están tratando de explicar completamente cómo funciona, pero esto es lo que ya saben.
Solo algunos metales muestran propiedades de EA
No todos los metales pueden usarse para EA. Los metales que sí pueden tienen potencial de reducción positivo, mientras que los que no pueden tienen potencial de reducción negativo.
Los metales que no se adhieren son aquellos que se oxidan primero en el ánodo. Esta oxidación (electrólisis) del metal domina sobre cualquier proceso competidor, lo que explica por qué no hay adhesión.
Por el contrario, los metales que sí se adhieren son relativamente inertes, lo que permite que las cadenas poliméricas de la red del gel se oxiden primero en el ánodo.
Esto excluye metales comunes como el titanio, zinc, hierro y níquel, lo que puede explicar por qué la EA no se descubrió hasta ahora. Sin embargo, aún incluye metales comunes y baratos como el estaño, plomo, cobre, así como el grafito (que no es un metal, sino carbono puro). Por lo tanto, aunque esto pueda ser una limitación, no debería ser un obstáculo para su uso en aplicaciones robóticas.
¿Cómo funciona?
La EA se crea cuando se aplica una corriente al metal.
La teoría es que la oxidación del material blando (gel u otro) crea enlaces químicos entre el metal y las cadenas poliméricas. Estos enlaces químicos forman una unión fuerte entre el metal y el material blando, lo que lleva a una adhesión robusta.
El proceso también puede revertirse fácilmente aplicando una corriente inversa. Esto crea condiciones químicas reductoras, que “disuelven” el enlace químico y cancelan la adhesión.
Esta teoría se refuerza con experimentos que demostraron que cualquier cambio que ocurre en el hidrogel se produce solo en la superficie de contacto con el metal.
También parece que la naturaleza exacta y las características del enlace químico variarán según las respectivas químicas del metal y del material blando.
¿A qué puede adherirse el Metal Pegajoso?
El artículo científico publicado se centra principalmente en la adhesión a varios tipos de hidrogeles, ya que resultan ser un buen material para modificar y experimentar.
Sin embargo, los principios pueden aplicarse a muchos otros materiales, incluidos músculos animales o incluso tomates. En general, el único requisito para el material blando es que sea un conductor iónico, lo cual es el caso de casi todos los tejidos biológicos.
Igualmente impresionante, la EA también puede ocurrir bajo el agua, donde la adhesión suele ser muy difícil de lograr.
Posibles aplicaciones de los metales pegajosos
Agarre robótico
La primera y probablemente más inmediata aplicación de la EA es desarrollar mejores pinzas para robots. Agarrar correctamente los objetos sin dejarlos caer o aplastarlos ha sido un problema persistente para los robots.
La EA no requiere que un dedo robótico tenga dedos, manos, articulaciones u otras formas complejas y específicas. Por lo tanto, esto podría abrir el camino a alternativas más baratas, eficientes y seguras respecto a los métodos actualmente utilizados.
Fuente: Corteva
Baterías
Las baterías eficientes y fáciles de fabricar están en alta demanda por parte de los vehículos eléctricos y el crecimiento de las energías renovables en la combinación energética. La mayoría de las baterías dependen de conectar dos electrodos sólidos duros metálicos (o de grafito) —ánodo y cátodo— con un electrolito entre ellos.
Muy a menudo, el electrolito es un gel en un solvente iónico conductor.
Así, los investigadores de la Universidad de Maryland probaron si podían usar la EA para crear un nuevo tipo de batería.
Utilizaron cobre y zinc como electrodos y lograron crear una batería de 0,9 V.
Esto fue solo una prueba de concepto realizada por especialistas que no son expertos en baterías. Sin embargo, creen que podrían crearse baterías flexibles y recargables usando los mismos principios. Y podría abrir el camino a un nuevo método de fabricación de baterías.
Robótica blanda
Como se mencionó anteriormente, los ingenieros robóticos han soñado durante mucho tiempo con robots que mezclen componentes duros y blandos, imitando cómo los animales poseen huesos duros y músculos y tejidos blandos.
Se realizó una prueba rudimentaria para ilustrar cómo la EA puede usarse con este fin. Para ello, se utilizó una mezcla de componentes duros (placas de grafito) y componentes blandos (hidrogel) para crear una “estructura de carga resistente duro‑blanda”.
Al aplicar cargas crecientes, la estructura primero la soportó y luego comenzó a doblarse. Cuando se retiró el peso, los pilares de gel se retractaron a su estado original, y la losa superior se desplazó hacia arriba.
Los elementos duros por sí solos no serán comprimibles ni deformables, mientras que los elementos blandos por sí solos podrían ser aplastados por una carga. Sin embargo, la combinación puede soportar una carga de forma flexible sin daño.
Al poder comprimirse y “empujar de vuelta”, dicho sistema podría usarse para crear actuadores y robots capaces de interactuar con su entorno de manera delicada.
Adhesivo submarino
Pegar cualquier cosa en un entorno rico en agua o bajo el agua puede ser un desafío técnico. Los enlaces adhesivos a menudo se ven influenciados por las moléculas de agua que los rodean y son más débiles de lo necesario en la mayoría de los casos.
Aquí, la adhesión es un fenómeno electroquímico que solo se activa cuando el gel y el metal están en contacto bajo una corriente. Debido a que la EA se basa en una unión química real, no se ve afectada por el agua circundante.
Prótesis e implantes
Otro uso potencial del metal pegajoso es en aplicaciones biomédicas. La compatibilidad del metal con el cuerpo humano siempre ha sido un problema al usar implantes metálicos. Conectar el metal a los tejidos blandos sin dañarlos es un proceso difícil.
Si los implantes o prótesis, como los reemplazos de extremidades, pudieran adherirse a los tejidos blandos, podrían volverse mucho más funcionales y prácticos de usar. También podría mejorar significativamente la calidad de vida de los pacientes.
Imagen por RAEng_Publications from Pixabay
Y debido a que el proceso es fácilmente reversible al inducir una corriente eléctrica, los implantes pegajosos probablemente serán mucho más fáciles de reemplazar o retirar también.
Aplicación avanzada con Metal Pegajoso
La electroadhesión duro‑blanda o EA es un descubrimiento notable con muchas aplicaciones posibles.
No solo funciona con prácticamente todos los geles iónicos y tejidos orgánicos (casi cualquier cosa que contenga agua y sales), sino que también puede usarse con metales base baratos como el estaño, cobre e incluso grafito. Gracias a estos materiales de bajo costo, cualquier aplicación industrial tiene la posibilidad de ser competitiva en costos.
Podría cambiar completamente el campo de la robótica, comenzando con mejores pinzas, especialmente para productos alimenticios como carne, frutas y verduras. Luego, permitiría la creación de verdaderos robots blandos que mezclen partes duras y blandas/elásticas.
También podría permitir enlaces mucho más fáciles a prótesis e implantes corporales, acercándonos un paso más a la verdadera tecnología cibernética.
Por último, podría tener aplicaciones más allá de la robótica y las prótesis, potencialmente creando nuevos tipos de baterías así como adhesivos submarinos y reversibles.
