Los ingenieros del MIT han creado Estructuras impresas en 3-D cuyos movimientos se pueden controlar con una onda de un imán, al igual que las marionetas sin las cuerdas.

La colección de estructuras que se pueden manipular magnéticamente incluye un anillo liso que se arruga, un tubo largo que se cierra con fuerza, una sábana que se dobla sola, y un "agarrador" con forma de araña que puede arrastrarse, rollo, salto, y se juntan lo suficientemente rápido como para atrapar una pelota que pasa. Incluso se puede ordenar que se envuelva alrededor de una pequeña pastilla y la lleve a través de una mesa.

Los investigadores fabricaron cada estructura a partir de un nuevo tipo de tinta imprimible en 3D que infundieron con diminutas partículas magnéticas. Instalaron un electroimán alrededor de la boquilla de una impresora 3-D, lo que provocó que las partículas magnéticas se balancearan en una sola orientación a medida que la tinta se alimentaba a través de la boquilla. Controlando la orientación magnética de secciones individuales en la estructura, los investigadores pueden producir estructuras y dispositivos que pueden convertirse casi instantáneamente en intrincadas formaciones, e incluso moverse, ya que las diversas secciones responden a un campo magnético externo.

Xuanhe Zhao, el Profesor de Desarrollo de Carrera Noyce en el Departamento de Ingeniería Mecánica y el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, dice que la técnica del grupo se puede utilizar para fabricar dispositivos biomédicos controlados magnéticamente.

"Creemos que en biomedicina esta técnica encontrará aplicaciones prometedoras, "Dice Zhao". Por ejemplo, podríamos poner una estructura alrededor de un vaso sanguíneo para controlar el bombeo de sangre, o use un imán para guiar un dispositivo a través del tracto gastrointestinal para tomar imágenes, extraer muestras de tejido, limpiar un bloqueo, o entregar ciertos medicamentos a un lugar específico. Puedes diseñar, simular, y luego solo imprime para lograr varias funciones ".

Zhao y sus colegas han publicado hoy sus resultados en la revista. Naturaleza . Sus coautores incluyen a Yoonho Kim, Hyunwoo Yuk, y Ruike Zhao del MIT, y Shawn Chester del Instituto de Tecnología de Nueva Jersey.

Un campo cambiante

Las estructuras activadas magnéticamente del equipo se incluyen en la categoría general de dispositivos de activación suave:blandos, materiales moldeables que están diseñados para cambiar de forma o moverse a través de una variedad de medios mecánicos. Por ejemplo, los dispositivos de hidrogel se hinchan cuando cambia la temperatura o el pH; los polímeros con memoria de forma y los elastómeros de cristal líquido se deforman con estímulos suficientes como el calor o la luz; los dispositivos neumáticos e hidráulicos pueden accionarse mediante el bombeo de aire o agua; y los elastómeros dieléctricos se estiran bajo voltajes eléctricos.

Pero hidrogeles, polímeros con memoria de forma, y los elastómeros de cristal líquido tardan en responder, y cambiar de forma en el transcurso de minutos a horas. Los dispositivos impulsados ​​por aire y agua requieren tubos que los conecten a las bombas, haciéndolos ineficientes para aplicaciones controladas de forma remota. Los elastómeros dieléctricos requieren altos voltajes, generalmente por encima de mil voltios.

"No existe un candidato ideal para un robot blando que pueda funcionar en un espacio cerrado como un cuerpo humano, donde querrías realizar ciertas tareas sin ataduras, "Dice Kim." Por eso creemos que esta idea de actuación magnética es muy prometedora, porque es rapido, potente, benigno para el cuerpo, y se puede controlar de forma remota ".

Otros grupos han fabricado materiales activados magnéticamente, aunque los movimientos que han logrado han sido relativamente sencillos. En la mayor parte, los investigadores mezclan una solución de polímero con perlas magnéticas, y verter la mezcla en un molde. Una vez que el material se cura, aplican un campo magnético para magnetizar uniformemente las perlas, antes de retirar la estructura del molde.

"La gente solo ha hecho estructuras que se alargan, encogerse, o doblar, "Yuk dice." El desafío es, ¿Cómo se diseña una estructura o un robot que pueda realizar tareas mucho más complicadas? "

Juego de dominio

En lugar de hacer estructuras con partículas magnéticas de las mismas, orientación uniforme, El equipo buscó formas de crear "dominios" magnéticos:secciones individuales de una estructura, cada uno con una orientación distinta de partículas magnéticas. Cuando se expone a un campo magnético externo, cada sección debe moverse de una manera distinta, dependiendo de la dirección en que se muevan sus partículas en respuesta al campo magnético. De este modo, el grupo supuso que las estructuras deberían realizar articulaciones y movimientos más complejos.

Con su nueva plataforma de impresión 3D, los investigadores pueden imprimir secciones, o dominios, de una estructura, y ajustar la orientación de las partículas magnéticas en un dominio particular cambiando la dirección del electroimán que rodea la boquilla de la impresora, a medida que se imprime el dominio.

El equipo también desarrolló un modelo físico que predice cómo se deformará una estructura impresa bajo un campo magnético. Dada la elasticidad del material impreso, el patrón de dominios en una estructura, y la forma en que se aplica un campo magnético externo, el modelo puede predecir la forma en que una estructura general se deformará o se moverá. Ruike descubrió que las predicciones del modelo coincidían estrechamente con los experimentos que el equipo llevó a cabo con varias estructuras impresas diferentes.

Además de un anillo ondulante, un tubo autoexprimible, y un atrapador con forma de araña, el equipo imprimió otras estructuras complejas, como un conjunto de estructuras "auxéticas" que se contraen o expanden rápidamente en dos direcciones. Zhao y sus colegas también imprimieron un anillo incrustado con circuitos eléctricos y luces LED rojas y verdes. Dependiendo de la orientación de un campo magnético externo, el anillo se deforma para iluminarse en rojo o verde, de manera programada.

"Hemos desarrollado una plataforma de impresión y un modelo predictivo para que otros lo utilicen. Las personas pueden diseñar sus propias estructuras y patrones de dominio, validarlos con el modelo, e imprimirlos para activar varias funciones, "Dice Zhao." Al programar información compleja de estructura, dominio, y campo magnético, incluso se pueden imprimir máquinas inteligentes como robots ".