Investigadores financiados por el Ejército de los EE. UU. En la Universidad de Brandeis han descubierto un proceso para diseñar materiales blandos de próxima generación con redes químicas integradas que imitan el comportamiento del tejido neural. El material innovador puede conducir a la robótica suave autónoma, sensores y actuadores duales para exoesqueletos blandos, o pieles artificiales.

La investigación sienta las bases para la materia activa blanda futurista con sensores altamente distribuidos y estrechamente integrados, actuación cálculo y control, dijo el Dr. Samuel Stanton, Gerente del Programa de Sistemas Complejos y Dinámicos dentro de la Dirección de Ciencias de la Ingeniería de la Oficina de Investigación del Ejército, un elemento del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., ubicado en Research Triangle Park en Durham, Carolina del Norte.

ARO financia la investigación para iniciar descubrimientos científicos y tecnológicos de gran alcance en organizaciones extramuros, Instituciones educacionales, organizaciones sin fines de lucro y la industria privada que pueden hacer que los futuros soldados estadounidenses sean más fuertes y seguros.

El equipo de investigación dirigido por el profesor de física Dr. Seth Fraden de la Universidad de Brandeis, se inspiró en el fascinante movimiento sinuoso de una anguila azul nadando y en la brecha desconcertantemente grande entre cómo se mueven los sistemas naturales y la falta de un movimiento tan coordinado y suave en los sistemas artificiales.

Nuestros intereses de investigación se encuentran directamente en la intersección de la física, química, biología y ciencia de los materiales, ", Dijo Fraden." Nuestro laboratorio es interdisciplinario, pero también estamos involucrados en varios proyectos de múltiples investigadores ".

El trabajo de Fraden buscó responder preguntas clave, como por qué hay un vacío entre lo animado y lo inanimado que nunca confundimos los dos, y si los ingenieros pudieran crear materiales con atributos similares a los organismos vivos, pero construido a partir de objetos inanimados, ¿Podemos hacerlo utilizando solo productos químicos y evitar el uso de motores y componentes electrónicos?

Mirando más profundo Fraden estudió cómo un tipo de red neuronal presente en la anguila, llamado el Generador de Patrones Central, produce ondas de pulsos químicos que se propagan por la columna vertebral de la anguila para impulsar rítmicamente los músculos de la natación.

El laboratorio de Fraden abordó el desafío de diseñar un material que imite al generador construyendo primero un dispositivo de control que produzca los mismos patrones de activación neuronal que los biólogos han observado. Allí, crearon un sistema de control que funciona con energía química, como se hace en biología, sin recurrir a ningún ordenador o dispositivo electromecánico, que son las señas de identidad de los hechos por el hombre, tecnología robótica dura.

Se logró un gran avance cuando Fraden y su equipo se dieron cuenta de que la misma dinámica de CPG podría capturarse en una plataforma no biológica si usaban un proceso químico oscilante conocido como la reacción de Belousov-Zhabotinsky. El laboratorio desarrolló técnicas de fabricación de vanguardia para la ingeniería de materiales blandos en redes químicas artificiales a nanoescala que, en total, sería capaz de producir una amplia variedad de patrones. Sus redes químicas robustas resultantes produjeron patrones dinámicos distribuidos idénticos al Generador de Patrones Central de la anguila.

Fraden señaló que "los principios de ingeniería que identificaron son generales y se pueden aplicar para diseñar una amplia gama de otros generadores de patrones centrales, como los responsables de otras funciones autónomas, como el paso de un caballo, por ejemplo, andar, medio galope, trote y galope ".

La investigación aparece como artículo de portada de la edición del 7 de marzo de una revista del Reino Unido, Laboratorio en un chip , que es una revista científica revisada por pares que publica investigaciones primarias y artículos de revisión sobre cualquier aspecto de la miniaturización a escala micro y nano. El trabajo ganó la distinción como uno de los "artículos candentes" de la revista debido a sus puntuaciones particularmente altas obtenidas en el proceso de revisión científica.

"Permitir un gran avance en el aumento robótico de maniobras y operaciones militares de alto ritmo requiere interrumpir la noción de un sistema inteligente como una plataforma rígida de múltiples cuerpos optimizada para operaciones lentas, movimiento cuidadosamente planeado en un terreno despejado, Stanton dijo. "Se necesita una investigación fundamental para trasponer los materiales inteligentes del paradigma actual de propiedades fijas y mecánicas con control extrínseco y centralizado a un nuevo paradigma de compuestos activos blandos con una funcionalidad dinámica sin precedentes realizada a través de la máxima incrustación de sustrato de estrechamente integrado, descentralizado y detección intrínseca (basada en materiales) altamente distribuida, actuación y control."

Como siguiente paso, El laboratorio de Fraden asumirá el desafío de transferir la información codificada en los patrones dinámicos de las redes químicas para crear una respuesta mecánica específica dentro de un gel quimio-mecánico novedoso. Esto podría hacer que la investigación pase de material artificial que imita el tejido neural a tejido artificial que ahora imita al tejido neuromuscular.