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  • Los ingenieros imprimen objetos inteligentes en 3D con lógica incorporada

    Incluso sin cerebro o sistema nervioso, la trampa para moscas de Venus parece tomar decisiones sofisticadas sobre cuándo cerrar de golpe una presa potencial, así como para abrir cuando accidentalmente ha atrapado algo que no puede comer.

    Los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania se han inspirado en este tipo de sistemas. Usando materiales sensibles a estímulos y principios geométricos, han diseñado estructuras que tienen "lógica incorporada". Solo a través de su composición física y química, son capaces de determinar cuál de las múltiples posibles respuestas dar en respuesta a su entorno.

    A pesar de no tener motores, baterías circuitos o procesadores de cualquier tipo, pueden cambiar entre múltiples configuraciones en respuesta a señales ambientales predeterminadas, como la humedad o los productos químicos a base de aceite.

    Utilizando impresoras 3D de varios materiales, los investigadores pueden hacer estas estructuras activas con puertas lógicas if / then anidadas, y puede controlar el tiempo de cada puerta, permitiendo comportamientos mecánicos complicados en respuesta a cambios simples en el medio ambiente. Por ejemplo, Al utilizar estos principios, se podría diseñar un dispositivo de control de la contaminación acuática para abrir y recolectar una muestra solo en presencia de una sustancia química a base de aceite y cuando la temperatura supere un cierto umbral.

    Los ingenieros de Penn publicaron un estudio de acceso abierto que describe su enfoque en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

    Este atrapamoscas de Venus artificial solo se cierra cuando hay un peso en el interior y el actuador está expuesto a un disolvente. Las estructuras con "lógica incorporada" pueden tener comportamientos aún más complicados, todo sin motores ni computadoras. Crédito:Universidad de Pensilvania

    El estudio fue dirigido por Jordan Raney, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecánica Aplicada de Penn Engineering, y Yijie Jiang, un investigador postdoctoral en su laboratorio. Lucía Korpas, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Raney, también contribuyó al estudio.

    El laboratorio de Raney está interesado en estructuras que son biestables, lo que significa que pueden tener una de dos configuraciones de forma indefinida. También está interesado en materiales receptivos, que pueden cambiar su forma en las circunstancias adecuadas.

    Estas habilidades no están intrínsecamente relacionadas entre sí, pero la "lógica incorporada" se basa en ambos.

    "La biestabilidad está determinada por la geometría, mientras que la capacidad de respuesta proviene de las propiedades químicas del material, ", Dice Raney." Nuestro enfoque utiliza la impresión 3D de múltiples materiales para cruzar estos campos separados de modo que podamos aprovechar la capacidad de respuesta del material para cambiar los parámetros geométricos de nuestras estructuras de la manera correcta ".

    En trabajos anteriores, Raney y sus colegas habían demostrado cómo imprimir en 3D celosías biestables de vigas de silicona en ángulo. Cuando se presionan juntos, las vigas permanecen bloqueadas en una configuración pandeada, pero se puede volver a colocar fácilmente en su forma expandida.

    Usando lógica secuencial incorporada y dos tipos de actuadores, esta caja tiene cerradura que se abre por la presencia de agua, y una tapa que se abre con la presencia de un disolvente. Crédito:Universidad de Pensilvania

    Este comportamiento biestable depende casi en su totalidad del ángulo de las vigas y la relación entre su ancho y largo, "Dice Raney." Comprimir la celosía almacena energía elástica en el material. Si pudiéramos usar el entorno de manera controlable para alterar la geometría de las vigas, la estructura dejaría de ser biestable y necesariamente liberaría su energía de deformación almacenada. Tendría un actuador que no necesita electrónica para determinar si debe ocurrir la activación y cuándo ".

    Los materiales que cambian de forma son comunes, pero el control detallado sobre su transformación es más difícil de lograr.

    "Muchos materiales absorben agua y se expanden, por ejemplo, pero se expanden en todas direcciones. Eso no nos ayuda porque significa que la relación entre el ancho y el largo de las vigas permanece igual, ", Dice Raney." Necesitábamos una forma de restringir la expansión a una sola dirección ".

    La solución de los investigadores fue infundir sus estructuras impresas en 3D con fibras de vidrio o celulosa, corriendo en paralelo a la longitud de las vigas. Como fibra de carbono, este esqueleto inelástico evita que las vigas se alarguen, pero permite que el espacio entre las fibras se expanda, aumentando el ancho de las vigas.

    Con este control geométrico en su lugar, Se pueden lograr respuestas de cambio de forma más sofisticadas alterando el material del que están hechas las vigas. Los investigadores hicieron estructuras activas usando silicona, que absorbe aceite, e hidrogeles, que absorben agua. También se podrían incorporar materiales sensibles al calor y a la luz, y podrían diseñarse materiales que respondan a estímulos aún más específicos.

    Los actuadores lógicos incorporados almacenan energía elástica y la liberan cuando se exponen a los estímulos ambientales correctos. Crédito:Universidad de Pensilvania

    Cambiar la relación longitud / ancho inicial de las vigas, así como la concentración de las fibras internas rígidas, permite a los investigadores producir actuadores con diferentes niveles de sensibilidad. Y debido a que la técnica de impresión 3D de los investigadores permite el uso de diferentes materiales en la misma impresión, una estructura puede tener múltiples respuestas que cambian de forma en diferentes áreas, o incluso dispuestos en una secuencia.

    "Por ejemplo, "Jiang dice, "demostramos la lógica secuencial al diseñar una caja que, después de la exposición a un disolvente adecuado, se puede abrir y cerrar de forma autónoma después de un tiempo predefinido. También diseñamos una Venus atrapamoscas artificial que puede cerrarse solo si se aplica una carga mecánica dentro de un intervalo de tiempo designado. y una caja que solo se abre si hay aceite y agua ".

    Tanto los elementos químicos como geométricos de este enfoque lógico incorporado son independientes de la escala, lo que significa que estos principios también podrían ser aprovechados por estructuras de tamaños microscópicos.

    "Eso podría ser útil para aplicaciones en microfluidos, "Dice Raney." En lugar de utilizar un sensor de estado sólido y un microprocesador que constantemente leen lo que fluye hacia un chip de microfluidos, Pudimos, por ejemplo, diseñar una puerta que se cierre automáticamente si detecta un determinado contaminante ".

    Otras aplicaciones potenciales podrían incluir sensores en remoto, Ambientes hostiles, como los desiertos, montañas, o incluso otros planetas. Sin necesidad de baterías ni computadoras, Estos sensores lógicos incorporados podrían permanecer inactivos durante años sin interacción humana, solo entrar en acción cuando se le presente la señal ambiental correcta.


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