Ingenieros de la Universidad de Colorado Boulder han diseñado una nueva película similar a la goma que puede saltar alto en el aire como un saltamontes, por sí sola y sin necesidad de intervención externa. ¡Solo caliéntalo y míralo saltar!
Los investigadores describen su logro el 18 de enero en la revista Avances de la ciencia. Dicen que materiales similares algún día podrían ayudar a incorporar «robots blandos» (aquellos que no necesitan engranajes u otros componentes duros para moverse) para saltar o levantar objetos.
El material compuesto responde un poco a cómo saltan los saltamontes almacenando y liberando energía en sus piernas, dijo el coautor del estudio, Timothy White.
«En la naturaleza, muchas adaptaciones, como la pata de un saltamontes, utilizan energía almacenada, como una inestabilidad elástica», dijo White, profesor Gallogly de ingeniería química y biológica en CU Boulder. «Estamos tratando de crear materiales sintéticos que emulen esas propiedades naturales».
La nueva investigación aprovecha el comportamiento inusual de una clase de materiales llamados elastómeros de cristal líquido. Estos materiales son versiones poliméricas sólidas y elásticas de los cristales líquidos que se encuentran en las computadoras portátiles o pantallas de TV.
En el estudio, el equipo fabricó pequeñas obleas de elastómeros de cristal líquido del tamaño de una lente de contacto y luego las colocó en una placa caliente. A medida que esas películas se calentaban, comenzaron a deformarse, formando un cono que se elevó hasta que, repentina y explosivamente, se volteó al revés, disparando el material hasta una altura de casi 200 veces su propio grosor en solo 6 milisegundos.
«Esto presenta oportunidades para el uso de materiales poliméricos en nuevas formas para aplicaciones como la robótica suave, donde a menudo necesitamos acceder a estos mecanismos de actuación de alta velocidad y alta fuerza», dijo la autora principal del estudio, Tayler Hebner, quien obtuvo su doctorado en ingeniería química y biológica. en CU Boulder en 2022.
descubrimiento fortuito
Hebner, ahora investigadora postdoctoral en la Universidad de Oregón, y sus colegas descubrieron este comportamiento de salto casi por accidente.
Estaba experimentando con el diseño de diferentes tipos de elastómeros de cristal líquido para ver cómo cambiaban de forma bajo temperaturas cambiantes. Joselle McCracken, investigadora asociada sénior en el laboratorio de White, se unió a ella para observar.
«Estábamos viendo el elastómero de cristal líquido reposar en la placa caliente y nos preguntábamos por qué no estaba tomando la forma que esperábamos. De repente, saltó de la etapa de prueba a la encimera», dijo Hebner. «Ambos nos miramos un poco confundidos pero también emocionados».
Con una cuidadosa experimentación y la ayuda de los colaboradores del Instituto de Tecnología de California, el equipo descubrió qué estaba haciendo que su material hiciera el salto de altura.
White explicó que cada una de estas películas está compuesta por tres capas de elastómero. Estas capas se encogen cuando se calientan, dijo, pero las dos capas superiores se encogen más rápido que la inferior. Esa incongruencia, combinada con la orientación de las moléculas de cristal líquido dentro de las capas, hace que la película se contraiga y tome forma de cono. Es un poco como los revestimientos de vinilo pintados pueden deformarse con los rayos del sol.
A medida que se forma el cono, la tensión se acumula en la película hasta que, de repente, ¡chasquido! El cono se invierte, golpeando la superficie y levantando el material. Una misma película también puede saltar varias veces sin desgastarse.
«Cuando ocurre esa inversión, el material se rompe y, al igual que el juguete popper de un niño, salta de la superficie», dijo White.
salta hacia adelante
Sin embargo, a diferencia de esos poppers, los elastómeros de cristal líquido del equipo son versátiles. Los investigadores pueden modificar sus películas para que salten cuando se enfríen, por ejemplo, no cuando se calienten. También pueden dar piernas a las películas para que salten en una dirección particular.
La mayoría de los robots probablemente no podrían usar este tipo de efecto de estallido para hacer que sus partes se muevan. Pero White dijo que el proyecto muestra qué tipos de materiales similares podrían ser capaces de almacenar una cantidad impresionante de energía elástica y luego liberarla de una sola vez. Y, dijo Hebner, el proyecto trajo un poco de diversión al laboratorio.
«Es un poderoso ejemplo de cómo los conceptos fundamentales que estudiamos pueden transformarse en diseños que funcionan de manera compleja y sorprendente», dijo.
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Video: https://youtu.be/0iggefqpACQ