Investigadores de la Brandeis University, financiados por el Ejército de EE.UU., han descubierto un proceso de ingeniería de materiales blandos de próxima generación, con redes químicas embebidas, que imitan el comportamiento del tejido neural. Este material innovador puede llevar a una robótica suave autónoma, a sensores y actuadores duales para exoesqueletos blandos o a pieles artificiales.
La investigación sienta las bases para una materia activa blanda futurista con sensores, actuación, computación y control altamente distribuidos y estrechamente integrados, dijo el Dr. Samuel Stanton, gerente del Programa de Sistemas Complejos y Dinámicos de la Dirección de Ciencias de la Ingeniería de la Oficina de Investigación del Ejército (ARO en siglas inglesas), un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos, ubicado en Research Triangle Park en Durham, Carolina del Norte.
La ARO financia la investigación para iniciar descubrimientos científicos y tecnológicos de gran alcance en organizaciones externas, instituciones educativas, organizaciones sin fines de lucro y la industria privada que puedan hacer que los futuros soldados sean más fuertes y seguros.
El equipo de investigación, dirigido por el catedrático de Física Dr. Seth Fraden de la Universidad de Brandeis, se inspiró en el hipnótico movimiento sinuoso de una anguila azul nadando, y en la desconcertante gran brecha entre cómo se mueven los sistemas naturales y la falta de ese movimiento coordinado y suave en los sistemas artificiales.
“Nuestro interés al investigar se centra directamente en la intersección de la física, la química, la biología y en la ciencia de los materiales», dijo Fraden. «Nuestro laboratorio es interdisciplinario, pero también estamos involucrados en varios proyectos multi-investigadores.»
El trabajo de Fraden intenta responder a preguntas clave, como: ¿Por qué existe tal vacío entre lo animado y lo inanimado, que nunca confundimos a ambos? Si los ingenieros pudieran crear materiales con atributos similares a los de los organismos vivos, pero construidos a partir de objetos inanimados, ¿podríamos hacerlo utilizando sólo productos químicos y evitando el uso de motores y aparatos electrónicos?
Observando más profundamente, Fraden estudió cómo un tipo de red neural presente en la anguila, llamada Central Pattern Generator, vemos que produce ondas de pulsos químicos que se propagan por la columna vertebral de la anguila para impulsar rítmicamente los músculos de la natación.
El laboratorio de Fraden abordó el desafío de diseñar un material que imitara al generador, construyendo primero un dispositivo de control que produjera los mismos patrones de activación neural que los biólogos han observado. Crearon un sistema de control que funciona con energía química, como ocurre en biología, sin recurrir a ningún ordenador o dispositivo electromecánico, que son los sellos distintivos de la tecnología robótica dura hecha por el hombre. Se logró un gran avance, cuando Fraden y su equipo se dieron cuenta de que la misma dinámica de CPG podía capturarse en una plataforma no biológica, si se utilizaba un conocido proceso químico oscilante conocido como reacción Belousov-Zhabotinsky.
El laboratorio desarrolló técnicas de fabricación de vanguardia, para redes químicas artificiales de ingeniería de materiales blandos, a nanoescala que, en conjunto, serían capaces de producir una amplia variedad de patrones. El resultado fueron robustas redes químicas que produjeron patrones dinámicos distribuidos idénticos al Central Pattern Generator de la anguila.
Fraden señaló que «los principios de ingeniería que identificaron son generales y que pueden aplicarse para diseñar toda una gama de otros GPG, como los responsables de otras funciones autónomas, como el andar de un caballo, por ejemplo, caminar, gatear, trotar y galopar».
La investigación aparece en la portada de la edición del 7 de marzo de una revista del Reino Unido, Lab on a Chip, que es una revista científica de revisión que publica artículos de investigación primaria y de revisión sobre cualquier aspecto de la miniaturización a escala micro y nano. El trabajo se distinguió como uno de los » hot articles » de la revista por sus puntuaciones especialmente altas obtenidas en el proceso de revisión científica.
«Permitir un gran avance en la robótica en las maniobras y operaciones militares de alto ritmo, requiere cambiar la noción de un sistema inteligente como una plataforma rígida multicuerpo optimizada para movimientos lentos y cuidadosamente planificados en terrenos despejados», dijo Stanton.
«La investigación fundamental es necesaria para trasladar los materiales inteligentes desde el paradigma actual de propiedades fijas y mecánicas con control extrínseco y centralizado, a uno nuevo de compuestos activos blandos, con una funcionalidad dinámica sin precedentes, realizada a través de la integración máxima de sustratos de sensores, actuación y control intrínsecos (basados en materiales) altamente integrados, descentralizados y distribuidos», continuó.
Como siguiente paso, el laboratorio de Fraden asumirá el reto de transferir la información codificada en los patrones dinámicos, desde las redes químicas, para crear una respuesta mecánica dirigida dentro de un nuevo gel quimio-mecánico. Esto podría hacer que la investigación pasara de un material artificial que imita al tejido neural a un tejido artificial que imite al tejido neuromuscular.
Un resumen del documento está disponible en línea. La Universidad de Brandeis es una universidad privada de investigación en Waltham, Massachusetts, a nueve millas al oeste de Boston.
Fte. ARL Public Affairs
