Cuando las personas giran y cambian, es el resultado de capacidades internas complicadas: el sistema nervioso del cuerpo alerta nuestras intenciones; el sistema musculoesquelético ayuda al movimiento; y el sistema digestivo genera la vitalidad para la transferencia de energía. El cuerpo integra a la perfección estas acciones sin que seamos conscientes de que los procesos dinámicos y coordinados se están reduciendo. Reproducir un funcionamiento integrado similar en un solo material artificial ha resultado problemático: pocos suministros de un componente incorporan de forma natural la coordinación espacial y temporal necesaria para imitar la espontaneidad y la destreza de los hábitos orgánicos.
No obstante, mediante una combinación de experimentos y modelos, investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Utilizadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard y la Facultad de Ingeniería Swanson de la Facultad de Ingeniería de Pittsburgh crearon un sistema de autorregulación de un solo material que se tuerce y dobla de forma controlada. soportar el movimiento biomimético.
La creadora sénior es Joanna Aizenberg, profesora Amy Smith Berylson de ciencia de suministros y profesora de química y biología química en SEAS. Impresionados por los experimentos realizados en el laboratorio de Aizenberg, los autores colaboradores de la Universidad de Pittsburgh, Anna Balazs y James Waters, desarrollaron los modelos teóricos y computacionales para diseñar elastómeros de cristal líquido (LCE) que imitan el acoplamiento perfecto de los procesos dinámicos observados en los sistemas de vivienda. .
“Nuestras acciones suceden espontáneamente porque el cuerpo humano incorpora una serie de construcciones interconectadas, y el rendimiento de cada construcción está muy coordinado en espacio y tiempo, lo que permite un evento para instigar los hábitos en otra parte del cuerpo”, definió Balazs, Profesor Distinguido de Ingeniería Química y de la Cátedra de Ingeniería John A. Swanson. “Por ejemplo, la activación de las neuronas dentro de la columna vertebral desencadena una señal que hace que un músculo seleccionado se contraiga; el músculo se expande cuando las neuronas han dejado de funcionar, lo que permite que el cuerpo vuelva a su forma relajada. Si pudiéramos replicar esta etapa de interconexión y multifuncionalidad en materiales artificiales, finalmente podríamos diseñar dispositivos eficientes que se autorregulan y funcionan de manera autónoma”.
Los materiales LCE utilizados en esta investigación colaborativa de Harvard-Pitt estaban compuestos por largas cadenas de polímeros con equipos en forma de varillas (mesógenos) conectados a través de ramificaciones facetarias; Se han utilizado reticuladores fotosensibles para hacer que el LCE sea sensible a los rayos UV. La tela se moldeó en postes de escala micrométrica anclados a un suelo subyacente. Luego, el equipo de Harvard demostró un conjunto particularmente diferente de movimientos complicados que las microestructuras pueden mostrar cuando se exponen a la luz. “El acoplamiento entre los modelos microscópicos (los polímeros, las cadenas de facetas, los meógenos y los reticuladores) dentro de estos materiales podría recordarle el entrelazamiento de varias partes dentro de un cuerpo humano”, dijo Balazs, “lo que sugiere que con la activación adecuada, el LCE posiblemente muestran ricos hábitos espaciotemporales.”
Para planificar los mejores desencadenantes, Waters formuló un modelo que describe los fenómenos ópticos, químicos y mecánicos simultáneos que ocurren en el rango de escalas de tamaño y tiempo que caracterizan al LCE. Las simulaciones también proporcionaron una técnica eficiente para descubrir y visualizar las complejas interacciones dentro de este sistema opto-quimio-mecánico receptivo.
“Nuestro modelo puede predecir con precisión la evolución espacial y temporal de las publicaciones y mostrar cómo las diversas propiedades de los materiales y las opciones de la luz impuesta pueden desencadenar diferentes comportamientos”, dijo Waters, y señaló que “el modelo sirve como una herramienta muy útil”. software predictivo cuando la complejidad del sistema aumenta, por ejemplo, mediante la introducción de una serie de publicaciones interactivas, que pueden organizarse en una variedad básicamente infinita de métodos”.
De acuerdo con Balazs, estos modelos mixtos y la investigación experimental allanan el mejor camino para crear la tecnología posterior de máquinas o robots cómodos y que responden a la luz que comienzan a exhibir una autonomía similar a la vida. “La luz es un estímulo muy útil para activar estas fuentes porque la fuente suave se puede mover fácilmente para instigar el movimiento en varias partes de la publicación o variedad de publicaciones”, dijo.
En investigaciones futuras, Waters y Balazs examinarán cómo se comportan conjuntos de postes y postes con diferentes geometrías bajo la influencia de varios rayos de sol o más localizados. Los resultados preliminares indican que en presencia de varios rayos suaves, los postes LCE pueden imitar el movimiento y la flexibilidad de los dedos, lo que sugiere nuevas rutas para diseñar brazos robóticos cómodos que puedan manipularse con suavidad.
“La gran área de diseño para movimientos individuales y colectivos probablemente sea transformadora para la robótica cómoda, los micro-caminantes, los sensores y las técnicas sólidas de encriptación de datos”, dijo Aizenberg.
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