En un artículo del 15 de mayo publicado en la revista Cartas de revisión físicalos físicos de Virginia Tech revelaron un fenómeno microscópico que podría mejorar en gran medida el rendimiento de dispositivos blandos, como robots ágiles y flexibles o cápsulas microscópicas para la administración de medicamentos.
El artículo, escrito por el candidato doctoral Chinmay Katke, el profesor asistente C. Nadir Kaplan y el coautor Peter A. Korevaar de la Universidad de Radboud en los Países Bajos, propone un nuevo mecanismo físico que podría acelerar la expansión y contracción de los hidrogeles. Por un lado, esto abre la posibilidad de que los hidrogeles reemplacen los materiales a base de caucho utilizados para fabricar robots flexibles, permitiendo que estos materiales fabricados tal vez se muevan con una velocidad y destreza cercanas a las de las manos humanas.
Ya se están utilizando robots blandos en la fabricación, donde se programa un dispositivo similar a una mano para tomar un artículo de una cinta transportadora (imagínese un hot dog o un trozo de jabón) y colocarlo en un recipiente para ser empaquetado. Pero los que están en uso ahora se apoyan en sistemas hidráulicos o neumáticos para cambiar la forma de la «mano» para recoger el artículo.
Al igual que nuestro propio cuerpo, los hidrogeles contienen principalmente agua y están en todas partes a nuestro alrededor, por ejemplo, en gelatinas y geles de afeitar. La investigación de Katke, Korevaar y Kaplan parece haber encontrado un método que permite que los hidrogeles se hinchen y contraigan mucho más rápidamente, lo que mejoraría su flexibilidad y capacidad para funcionar en diferentes entornos.
Los organismos vivos utilizan la ósmosis para actividades tales como reventar semillas, dispersar frutos en las plantas o absorber agua en el intestino. Normalmente, pensamos en la ósmosis como un flujo de agua que se mueve a través de una membrana, sin que las moléculas más grandes, como los polímeros, puedan atravesarla. Estas membranas se denominan membranas semipermeables y se pensaba que eran necesarias para desencadenar la ósmosis.
Anteriormente, Korevaar y Kaplan habían realizado experimentos utilizando una fina capa de película de hidrogel compuesta de ácido poliacrílico. Habían observado que, aunque la película de hidrogel permite el paso tanto del agua como de los iones y no es selectiva, el hidrogel se hincha rápidamente debido a la ósmosis cuando se liberan iones dentro del hidrogel y se contrae nuevamente.
Katke, Korevaar y Kaplan desarrollaron una nueva teoría para explicar la observación anterior. Esta teoría dice que las interacciones microscópicas entre los iones y el ácido poliacrílico pueden hacer que el hidrogel se hinche cuando los iones liberados dentro del hidrogel se distribuyen de manera desigual. A esto lo llamaron «hinchazón difusioforética de los hidrogeles». Además, este mecanismo recientemente descubierto permite que los hidrogeles se hinchen mucho más rápido de lo que era posible anteriormente.
¿Por qué es importante ese cambio?
Kaplan explicó: Los robots ágiles y blandos actualmente se fabrican con caucho, que «hace el trabajo pero sus formas cambian hidráulica o neumáticamente. Esto no es deseable porque es difícil imprimir una red de tubos en estos robots para suministrarles aire o fluido». «.
Imagínese, dijo Kaplan, cuántas cosas diferentes puede hacer con su mano y qué tan rápido puede hacerlas debido a su red neuronal y al movimiento de iones debajo de su piel. Debido a que el caucho y el sistema hidráulico no son tan versátiles como los tejidos biológicos, que son un hidrogel, los robots blandos de última generación sólo pueden realizar un número limitado de movimientos».
Katke explicó que el proceso que han investigado permite que los hidrogeles cambien de forma y luego vuelvan a su forma original «significativamente más rápido de esta manera» en robots blandos que son más grandes que nunca.
En la actualidad, sólo los robots de hidrogel de tamaño microscópico pueden responder a una señal química lo suficientemente rápido como para ser útiles y los más grandes requieren horas para cambiar de forma, dijo Katke. Utilizando el nuevo método de difusioforesis, los robots blandos de hasta un centímetro pueden transformarse en tan solo unos segundos, lo cual está sujeto a más estudios.
Robots blandos más grandes y ágiles que pudieran responder rápidamente podrían mejorar los dispositivos de asistencia en la atención médica, las funciones de «recoger y colocar» en la fabricación, las operaciones de búsqueda y rescate, los cosméticos utilizados para el cuidado de la piel y las lentes de contacto.