Sin cables. Sin actuadores. Basta con iluminar la superficie metálica para que se eleve como un botón. Investigadores del KAIST han desarrollado una estructura metálica que cambia de forma mediante la luz, sin necesidad de recubrimientos fotorreceptores. Esta tecnología podría abrir nuevas posibilidades para interfaces táctiles con botones físicos desplegables, pantallas con formas, dispositivos portátiles de última generación y robots blandos.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Il-Kwon Oh del Departamento de Ingeniería Mecánica ha desarrollado una tecnología que transforma una lámina plana de aleación de níquel-titanio con memoria de forma (SMA) en una “estructura metamórfica impulsada fototérmicamente” que pasa de una superficie plana a una forma tridimensional al exponerse a la luz, utilizando únicamente un proceso láser UV. Los resultados se publican en la revista Advanced Science.
Diseñar metal para que aparezca
Los dispositivos portátiles y los robots blandos de última generación requieren tecnologías delgadas y ligeras, capaces además de transformarse en las formas deseadas cuando sea necesario. Estas tecnologías están ganando popularidad como base para pantallas con formas, superficies adaptativas, interfaces portátiles y robots blandos.
El equipo de investigación diseñó patrones precisos de corte y plegado en una lámina de metal plana para que se transformara en una forma tridimensional predeterminada. El principio de diseño se basa en el kirigami, el arte de crear estructuras tridimensionales mediante el corte de papel.
Resolver el problema de la luz en NiTi
Las aleaciones con memoria de forma son metales especiales que recuperan una forma preprogramada al calentarse a una temperatura específica, incluso después de haber sido deformadas. Gracias a su ligereza y capacidad para generar grandes fuerzas, se utilizan ampliamente como materiales clave para robots blandos y actuadores portátiles.
Sin embargo, los actuadores fototérmicos convencionales de aleación con memoria de forma presentan una limitación: las superficies de aleación de níquel-titanio (NiTi) no absorben la luz infrarroja cercana de manera eficiente. Para compensar esta limitación, se suelen aplicar recubrimientos absorbentes de luz independientes, como óxido de grafeno, compuestos poliméricos o películas delgadas de nitruro de titanio (TiN).
Estos recubrimientos externos pueden desprenderse durante el uso repetido y requerir un procesamiento adicional. También pueden aumentar la capacidad calorífica, lo que puede ralentizar la respuesta y generar limitaciones tanto en la facilidad de fabricación como en el rendimiento de la actuación.
La programación de la forma y la absorción se combinan
Para abordar este problema, el equipo de investigación utilizó micromecanizado láser UV. Mediante este proceso, formaron estructuras de kirigami sobre láminas delgadas de aleación con memoria de forma (SMA), generando simultáneamente una capa de óxido de titanio (TiOₓ) microporosa y nanoporosa en la superficie mediante oxidación inducida por láser. Como resultado, lograron aumentar significativamente la absorción de luz infrarroja cercana sin necesidad de ningún recubrimiento externo.
El equipo también implementó una plataforma que permite controlar con precisión la altura de la deformación tridimensional y la fuerza resultante mediante el ajuste de parámetros estructurales como el ancho de la bisagra y el ancho de la ranura. En otras palabras, la clave de esta investigación reside en programar simultáneamente tanto la deformación mecánica de la estructura como la eficiencia con la que absorbe la luz dentro de una única estructura metálica.
Además, el equipo aplicó una técnica de modelado que controla espacialmente el grado de oxidación inducida por láser. Esto permitió que diferentes regiones se deformaran secuencialmente a distintas velocidades, incluso cuando se exponían uniformemente a luz de la misma intensidad.
Los investigadores lo describen como “control de actuación espaciotemporal”. Esto significa que el orden y la sincronización de la deformación se codifican directamente en el material mediante sus propiedades de absorción de luz, sin necesidad de un control eléctrico independiente. Puede considerarse una forma de lógica fotónica.
Desde pantallas con letras hasta señales táctiles
El equipo de investigación amplió aún más la metaestructura fototérmica de SMA para crear pantallas tridimensionales e interfaces hápticas, integrándola con una matriz de LED infrarrojos cercanos (NIR) multicanal. Cada unidad de kirigami de SMA se mueve de forma independiente en respuesta a la luz aplicada selectivamente. Sobre esta base, el equipo logró mostrar con éxito la secuencia de letras K→A→I→S→T e implementó señales de navegación táctiles que indican la dirección.
Oh afirmó: “La tecnología de programación láser desarrollada en este estudio es una plataforma fácil de fabricar que codifica tanto la deformación mecánica como las propiedades ópticas en una sola estructura metálica sin ningún proceso de recubrimiento separado”, y agregó: “Puede aplicarse ampliamente a interfaces de transformación inteligentes de próxima generación controladas por luz, incluidas superficies adaptativas, háptica interactiva y robots blandos fototérmicos”.
Hyunsoo Kim, estudiante de maestría en el Departamento de Ingeniería Mecánica, fue el primer autor, mientras que Oh fue el autor correspondiente.
Fuente: Tech Xplore.
