En su estado r\u00edgido, esta diminuta tira de material pesa aproximadamente 1,2 gramos, pero puede soportar hasta 5 kilogramos. Esto equivale a unas 4000 veces su propio peso. Al ablandarse, puede estirarse hasta unas 12 veces su longitud original y contraerse con una deformaci\u00f3n del 86,4%, m\u00e1s del doble que la de un m\u00fasculo humano t\u00edpico.<\/p>\n\n\n\n
La densidad de trabajo del m\u00fasculo \u2014la cantidad de energ\u00eda mec\u00e1nica que puede generar por unidad de volumen\u2014 alcanza los 1150 kilojulios por metro c\u00fabico. Esto es aproximadamente 30 veces mayor que la del tejido muscular humano. Para la rob\u00f3tica blanda, es como pasar de un patinete a una moto deportiva de la noche a la ma\u00f1ana.<\/p>\n\n\n\n
\u00bfPor qu\u00e9 es tan dif\u00edcil construir m\u00fasculos rob\u00f3ticos?<\/h2>\n\n\n\n
Si alguna vez has visto v\u00eddeos de robots blandos \u2014como tent\u00e1culos flexibles, pinzas inflables o gusanos de silicona\u2014 probablemente hayas notado un patr\u00f3n. Son excelentes para doblarse y retorcerse. No son tan buenos, por ejemplo, para levantar algo pesado sin derrumbarse.<\/p>\n\n\n\n
Esto se debe a que la mayor\u00eda de los m\u00fasculos artificiales presentan una desventaja: pueden ser muy el\u00e1sticos o muy resistentes, pero rara vez ambas cosas a la vez. Los materiales blandos,<\/a> como los geles y los elast\u00f3meros, pueden deformarse considerablemente, pero no generan mucha fuerza. Los materiales m\u00e1s r\u00edgidos pueden ejercer una gran fuerza de tracci\u00f3n, pero solo en distancias cortas. Cuando los ingenieros intentan aplicar ambas caracter\u00edsticas simult\u00e1neamente \u2014gran deformaci\u00f3n y gran fuerza\u2014 el material suele desgarrarse, atascarse o fatigarse.<\/p>\n\n\n\n Los investigadores miden este compromiso con la densidad de trabajo. Muchos m\u00fasculos artificiales blandos alcanzan valores de deformaci\u00f3n respetables, entre el 40 y el 60%, pero solo densidades de trabajo modestas. Los hidrogeles, los pol\u00edmeros con memoria de forma,\u00a0los elast\u00f3meros de cristal l\u00edquido<\/a>\u00a0y las fibras trenzadas ocupan distintos puntos de este espectro. Cada tecnolog\u00eda tiene sus ventajas, pero ninguna se comporta como un m\u00fasculo biol\u00f3gico, que puede estirarse, contraerse y soportar peso repetidamente sin desintegrarse.<\/p>\n\n\n\n Adem\u00e1s, la rigidez es importante. Un m\u00fasculo artificial \u00fatil deber\u00eda poder relajarse cuando necesita moverse y contraerse cuando necesita sujetar algo; piensa en c\u00f3mo tu brazo puede relajarse o tensarse. La mayor\u00eda de los m\u00fasculos artificiales no hacen eso. Permanecen blandos o r\u00edgidos todo el tiempo.<\/p>\n\n\n\n Este es el problema de fondo con el que se top\u00f3 el equipo del UNIST: \u00bfc\u00f3mo se construye un m\u00fasculo que pueda ser suave y fuerte, el\u00e1stico y potente, y a la vez controlado desde el exterior?<\/p>\n\n\n\n La respuesta del grupo del UNIST es un pol\u00edmero magn\u00e9tico con memoria de forma que presenta una doble personalidad a nivel molecular. Su n\u00facleo es un pl\u00e1stico denominado pol\u00edmero con memoria de forma. Estos materiales pueden “programarse” para adoptar una forma temporal y luego recuperar su forma original al calentarse. En este caso, el pol\u00edmero base es el metacrilato de estearilo, reticulado con una peque\u00f1a cantidad de otra mol\u00e9cula, el dimetacrilato de etilenglicol.<\/p>\n\n\n\n Los investigadores crearon dos redes superpuestas en este pol\u00edmero. Una es una red qu\u00edmica de\u00a0enlaces covalentes<\/a>\u00a0permanentes. La otra es una red f\u00edsica de largas cadenas laterales que pueden cristalizar y fundirse. Cuando las cadenas laterales cristalizan, el material se vuelve r\u00edgido y v\u00edtreo. Cuando se funden, se ablanda adquiriendo un estado el\u00e1stico y gomoso.<\/p>\n\n\n\n Este dise\u00f1o de doble reticulaci\u00f3n permite que el m\u00fasculo ajuste su rigidez a demanda. En pruebas de laboratorio, su rigidez pasa de unos 213 kilopascales \u2014blanda, como la goma\u2014 a 292 megapascales, cientos de veces m\u00e1s r\u00edgida, similar al pl\u00e1stico duro. Esto supone un cambio de m\u00e1s de mil veces.<\/p>\n\n\n\n Luego, el equipo a\u00f1adi\u00f3 la superpotencia: los imanes. Incrustaron diminutas micropart\u00edculas de neodimio-hierro-boro en todo el pol\u00edmero. Antes de introducirlas en el pl\u00e1stico, recubrieron las part\u00edculas con una fina capa de s\u00edlice y una capa de octadeciltriclorosilano, un compuesto organosil\u00edcico cuyo nombre es complejo y que, b\u00e1sicamente, hace que sus superficies sean compatibles con el pol\u00edmero. Este tratamiento superficial ayuda a que las part\u00edculas se dispersen uniformemente y se integren en la red f\u00edsica en lugar de aglomerarse.<\/p>\n\n\n\n Una vez curado, el composite tiene el aspecto de una simple tira flexible. Sin embargo, es termosensible \u2014se endurece y se ablanda con la temperatura\u2014 y magnetoactivo, reaccionando a\u00a0campos magn\u00e9ticos<\/a>\u00a0externos. El m\u00fasculo puede “magnetizarse” adoptando una forma espec\u00edfica, curvada o doblada, al exponerlo a un campo magn\u00e9tico intenso mientras est\u00e1 blando y luego enfriarlo para fijar dicha configuraci\u00f3n. En su interior, las micropart\u00edculas se alinean, confiriendo a la tira una direcci\u00f3n magn\u00e9tica intr\u00ednseca, una especie de\u00a0memoria muscular<\/a>\u00a0basada en el magnetismo.<\/p>\n\n\n\n As\u00ed pues, cuando el material se recalienta por encima de su temperatura de transici\u00f3n, se ablanda y puede moverse bajo la acci\u00f3n de un campo magn\u00e9tico: doblarse, torcerse o estirarse, seg\u00fan c\u00f3mo se aplique el campo. Al enfriarse, recupera su forma original.<\/p>\n\n\n\n Aqu\u00ed es donde las cifras se vuelven asombrosas. En pruebas controladas, el material alcanz\u00f3 una elongaci\u00f3n a la rotura del 1274%. Esto significa que se extendi\u00f3 m\u00e1s de doce veces su longitud antes de romperse. Tambi\u00e9n mostr\u00f3 una deformaci\u00f3n por actuaci\u00f3n del 86,4% en condiciones de trabajo, m\u00e1s del doble que la del m\u00fasculo humano. Y su densidad de trabajo alcanz\u00f3 los 1150 kilojulios por metro c\u00fabico con una densidad de reticulaci\u00f3n \u00f3ptima.<\/p>\n\n\n\n En su estado r\u00edgido, una tira de aproximadamente 1,25 gramos pod\u00eda soportar una carga de 5 kilogramos sin romperse. En su estado blando, a\u00fan soportaba un kilogramo \u2014m\u00e1s de 800 veces su propio peso\u2014 y conservaba la capacidad de moverse y estirarse.<\/p>\n\n\n\n Como lo expres\u00f3 el profesor Hoon Eui Jeong en el comunicado de prensa del UNIST: \u201cEsta investigaci\u00f3n supera la limitaci\u00f3n fundamental de los m\u00fasculos artificiales tradicionales, que son o bien muy el\u00e1sticos pero d\u00e9biles, o bien fuertes pero r\u00edgidos. Nuestro material compuesto puede hacer ambas cosas, abriendo la puerta a robots blandos m\u00e1s vers\u00e1tiles, dispositivos port\u00e1tiles e interfaces hombre-m\u00e1quina intuitivas\u201d.<\/p>\n\n\n\n Una cosa es batir r\u00e9cords en una curva de tensi\u00f3n-deformaci\u00f3n, y otra muy distinta es comportarse como un m\u00fasculo. Por eso, el equipo organiz\u00f3 algunas demostraciones rob\u00f3ticas.<\/p>\n\n\n\n En un experimento, moldearon una tira para crear una especie de brazo y mano rob\u00f3ticos. La magnetizaron en una configuraci\u00f3n curva para que, bajo un campo magn\u00e9tico, la mano pudiera cerrarse alrededor de una barra. Tras ablandar el material con un l\u00e1ser infrarrojo, utilizaron imanes para crear el agarre de la mano. Al enfriarla, el agarre qued\u00f3 fijo. Luego, recalentaron \u00fanicamente el segmento del brazo. El pol\u00edmero record\u00f3 su longitud original y se contrajo, levantando un peso de 115 gramos con una recuperaci\u00f3n de la deformaci\u00f3n de aproximadamente el 39 %. Para extenderlo de nuevo, pod\u00edan dejar que el peso suspendido lo jalara o volver a aplicar un campo magn\u00e9tico.<\/p>\n\n\n\n En otra prueba, estiraron previamente dos m\u00fasculos hasta duplicar su longitud y los usaron como brazos paralelos para levantar cargas de 77 gramos a cada lado. Al calentarse, los m\u00fasculos se contrajeron y levantaron las pesas, recuperando aproximadamente la mitad de su tensi\u00f3n inicial.<\/p>\n\n\n\n Se trata de experimentos de prueba de concepto, no de dispositivos comerciales terminados. Sin embargo, demuestran una combinaci\u00f3n inusual de caracter\u00edsticas en un solo material. Este material puede reprogramarse magn\u00e9ticamente para adoptar nuevas formas sin necesidad de refabricaci\u00f3n. Puede modificar su rigidez mediante cambios de temperatura. Puede levantar cargas pesadas en relaci\u00f3n con su peso. Y puede generar grandes deformaciones reversibles durante numerosos ciclos.<\/p>\n\n\n\n En el \u00e1mbito m\u00e1s amplio de los m\u00fasculos artificiales, esto es poco com\u00fan. Muchos sistemas que dependen de la presi\u00f3n neum\u00e1tica o los campos el\u00e9ctricos requieren componentes voluminosos como bombas, compresores o fuentes de alimentaci\u00f3n de alto voltaje. Otros, como los hilos de nanotubos de carbono<\/a> y las fibras trenzadas, destacan en un par\u00e1metro espec\u00edfico, como la velocidad, la potencia o la deformaci\u00f3n, pero no los combinan todos. En este caso, el componente principal es una tira de pl\u00e1stico inteligente con imanes en su interior.<\/p>\n\n\n\n Entonces, \u00bfqu\u00e9 se podr\u00eda hacer realmente con un m\u00fasculo como este? Bueno, imag\u00ednate exoesqueletos que se sientan como ropa en lugar de armadura, herramientas quir\u00fargicas que se doblen delicadamente alrededor de los \u00f3rganos, robots dom\u00e9sticos que no te aplasten los dedos cuando agarren cosas a tu alrededor.<\/p>\n\n\n\n Este nuevo material apunta directamente a ese futuro. Gracias a su capacidad de ablandarse al moverse y endurecerse al sujetar, resulta ideal para dispositivos de asistencia port\u00e1tiles, robots humanoides e instrumental m\u00e9dico. Imagina un guante que ayude a levantar el brazo y se relaje al descansar, o un cat\u00e9ter flexible que se endurezca al colocarse y luego se relaje para su extracci\u00f3n. Incluso podr\u00eda utilizarse para crear empu\u00f1aduras e interfaces adaptables que se ajusten a objetos fr\u00e1giles y se bloqueen para transportarlos. Tambi\u00e9n se inscribe en una tendencia m\u00e1s amplia en rob\u00f3tica, que se aleja de las m\u00e1quinas industriales r\u00edgidas y se orienta hacia sistemas suaves y flexibles que pueden operar de forma segura cerca de las personas, en hogares, hospitales y entornos impredecibles.<\/p>\n\n\n\n Por supuesto, existen limitaciones. El sistema actual a\u00fan depende del control t\u00e9rmico, lo que implica calentar y enfriar el material para cambiar de estado. Esto puede limitar la velocidad y la eficiencia energ\u00e9tica, especialmente fuera de un ba\u00f1o de agua de laboratorio. Las versiones futuras podr\u00edan emplear m\u00e9todos de calentamiento m\u00e1s eficientes o modificar la qu\u00edmica del pol\u00edmero para que el cambio se produzca a temperaturas m\u00e1s convenientes. La actuaci\u00f3n magn\u00e9tica tambi\u00e9n presenta desaf\u00edos en cuanto a alcance y escalabilidad. Los dispositivos muy peque\u00f1os funcionan bien con imanes, pero para controlar sistemas grandes podr\u00edan requerirse campos m\u00e1s intensos o dise\u00f1os ingeniosos.<\/p>\n\n\n\n Y luego est\u00e1 la durabilidad en el mundo real. Si bien el material resisti\u00f3 bien durante cientos de ciclos de laboratorio, el uso a largo plazo en un guante rob\u00f3tico o un dispositivo implantado requerir\u00eda miles o millones de ciclos, exposici\u00f3n al sudor o fluidos corporales y un abuso mec\u00e1nico constante. Sin embargo, la f\u00edsica b\u00e1sica de lo que demostr\u00f3 el equipo \u2014un m\u00fasculo blando que puede comportarse como goma en un instante y como pl\u00e1stico estructural al siguiente, superando con creces la capacidad de levantar tejido humano\u2014 es un hito importante. Los m\u00fasculos artificiales siempre han estado al margen de la ciencia ficci\u00f3n. Imaginamos trajes motorizados, extremidades sint\u00e9ticas,\u00a0robots flexibles<\/a>\u00a0reconstruyendo zonas de desastre, diminutas m\u00e1quinas desplaz\u00e1ndose dentro del cuerpo. La mayor\u00eda de estas visiones se topan con el mismo obst\u00e1culo: se necesita algo que se mueva como la carne, pero que funcione como una m\u00e1quina.<\/p>\n\n\n\n Esta nueva fuerza del UNIST no lo soluciona todo. Pero impulsa ese l\u00edmite de forma muy concreta. En lugar de elegir entre suavidad y fuerza, simplemente pregunta: \u00bfpor qu\u00e9 no ambas?<\/p>\n\n\n\n Los resultados aparecieron en la revista\u00a0Advanced Functional Materials<\/a>.<\/p>\n\n\n\nUn m\u00fasculo hecho de pl\u00e1stico, imanes y memoria<\/h2>\n\n\n\n
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Lo que estos m\u00fasculos realmente pueden hacer<\/h2>\n\n\n\n
Desde exoesqueletos de ciencia ficci\u00f3n hasta tent\u00e1culos quir\u00fargicos<\/h2>\n\n\n\n