Científicos austriacos crean un actuador blando a partir de materiales biodegradables

Investigadores austriacos han desarrollado un proceso de impresión 3D por extrusión que utiliza tintas biodegradables para modelar objetos complejos con dimensiones estables. Las biotintas están compuestas por un hidrogel a base de gelatina que se estira hasta seis veces su longitud original.

Esto promete nuevas aplicaciones para la robótica blanda y abre la puerta a una producción sin residuos. Los ingenieros de robótica blanda se inspiran en la naturaleza para desarrollar dispositivos robóticos que interactúan con las personas y otros seres vivos. Sin embargo, el proceso de fabricación de estos dispositivos suele generar residuos no reciclables.

Además, los métodos tradicionales de fabricación, como el moldeo, no cumplen los requisitos de las aplicaciones complejas de la robótica blanda. Por tanto, los avances en la robótica blanda requieren nuevos métodos de producción y una mayor sostenibilidad ambiental.

Ventajas y desafíos de la robótica blanda

Los robots blandos se diferencian de los robots rígidos utilizados en entornos industriales de producción. Inspirados en la imitación de la naturaleza, los robots blandos fabricados con materiales adaptativos y flexibles ayudan a las personas a resolver tareas complejas en la industria, la sanidad y la sociedad.

Sin embargo, los dispositivos de robótica blanda que emplean sensores y actuadores tienen un fuerte impacto ambiental. En este contexto, son deseables los actuadores de robótica blanda fabricados con materiales biodegradables.

Se han hecho intentos de producir componentes robóticos blandos biodegradables utilizando hidrogeles, poliésteres y proteínas. No obstante, los métodos tradicionales de moldeo limitan el grado de libertad que pueden alcanzar los robots blandos modernos.

Por ello, los dispositivos robóticos complejos que integran sensores flexibles requieren nuevos enfoques de producción, como la impresión 3D por extrusión.

Impresión de robots biodegradables

El equipo de la Universidad Johannes Kepler de Linz, en Austria, desarrolló un método de impresión 3D para fabricar actuadores de robots blandos con redes sensoriales integradas. Su método se basa en el modelado por deposición fundida (FDM), en el que un filamento continuo de material biogel se introduce a través de un cabezal extrusor calentado para formar el objeto deseado. El tamaño mínimo de elemento alcanzable es de 0,6 mm.

Los materiales blandos y elásticos son necesarios para desarrollar actuadores blandos para robótica. Los biopolímeros, como la celulosa, el alginato y la gelatina, se han utilizado para producir materiales biodegradables para aplicaciones de ingeniería. El grupo austriaco desarrolló para su estudio un hidrogel (biogel) a base de gelatina con alta elasticidad (deformación máxima del 500 %).

La gelatina es una forma hidrolizada del colágeno, de uso habitual en alimentación. Es un polímero insípido e incoloro obtenido de partes del cuerpo de animales. Gracias a su versatilidad, se utiliza en una amplia gama de aplicaciones de ingeniería, incluidas la ingeniería de tejidos y la fibra óptica.

Las propiedades del material logradas por el equipo austriaco son resultado de la incorporación de glicerina y jarabe de azúcar a la gelatina. Además, el ácido cítrico regula el crecimiento de bacterias. Esta composición ideal permite que el material se degrade enzimáticamente en aguas residuales en solo unos pocos días, y tiene una vida útil de más de un año en condiciones ambientales.

El biogel puede usarse para fabricar actuadores neumáticos blandos con ángulos de flexión de hasta 74 grados en cualquier dirección. Además, el biogel puede reutilizarse para imprimir hasta cinco veces.

El equipo estudió los efectos del calentamiento, el almacenamiento y la reutilización de los biogeles. Observaron una reducción de la deformación máxima del material hasta el 470 % después de 24 horas, lo que supera en un 140 % a los biogeles fabricados por moldeo.

Su biogel conserva una deformación máxima superior al 430 % tras 12 días de almacenamiento en condiciones ambientales, muy por encima del 200 % necesario para aplicaciones de robótica blanda.

Los investigadores austriacos también imprimieron guías de onda con biogel que detectan deformaciones mediante la pérdida de luz transmitida. Podían ajustar el índice de refracción de sus guías de onda regulando el contenido de agua del biogel.

Por último, los científicos imprimieron un actuador de tres cámaras (60 mm de altura y 16,6 mm de diámetro). Tres reguladores electroneumáticos de presión, una única fuente de presión y la disposición paralela de las cavidades inflables permitieron un movimiento omnidireccional.

Tras crear un mapa bidimensional de los estados de actuación y los valores de presión correspondientes, pudieron controlar el robot con un mando de videojuego estándar. El equipo demostró las capacidades del robot programando un procedimiento de búsqueda y limpieza para que pudiera detectar y sortear obstáculos.

Al combinar guías de onda extensibles con actuadores blandos, los científicos austriacos lograron controlar con gran precisión la curvatura, la dirección y la medición de la fuerza, además de reducir los costes de producción y la cantidad de residuos.

Los investigadores creen que su tecnología permitirá algún día crear diminutos robots blandos capaces de nadar dentro del cuerpo, administrando medicamentos o reparando tejidos dañados. Asimismo, los «robots de gelatina» podrían utilizarse para penetrar en entornos sensibles, como zonas con alto nivel de radiactividad. Incluso se podría aplicar la tecnología en la fabricación de juguetes infantiles.