Las capacidades de torsión y flexión del sistema muscular humano permiten un rango de movimiento variado y dinámico, desde caminar y correr hasta alcanzar y agarrar. Replicar algo aparentemente tan simple como mover una mano en un robot, sin embargo, requiere una serie compleja de motores, zapatillas, actuadores y algoritmos. Investigadores de la Universidad de Pittsburgh y la Universidad de Harvard han diseñado recientemente un polímero conocido como elastómero de cristal líquido (LCE) que puede ser "programado" para torcerse y doblarse en presencia de luz.

La investigación, publicado en la revista Avances de la ciencia fue desarrollado en la Escuela de Ingeniería Swanson de Pitt por Anna C. Balazs, Profesor Distinguido de Ingeniería Química y del Petróleo y Cátedra de Ingeniería John A. Swanson; y James T. Waters, asociado postdoctoral y primer autor del artículo. Otros investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard y la Escuela de Ingeniería John A. Paulson incluyen a Joanna Aizenberg, Michael Aizenberg, Michael Lerch, Shucong Li y Yuxing Yao.

Estos LCE particulares son aquirales:la estructura y su imagen especular son idénticas. Esto no es cierto para un objeto quiral, como una mano humana, que no se puede superponer con una imagen especular de sí mismo. En otras palabras, la mano derecha no puede convertirse espontáneamente en mano izquierda. Cuando el LCE aquiral se expone a la luz, sin embargo, Puede girar de forma controlable y reversible hacia la derecha o hacia la izquierda, formando estructuras tanto para diestros como para zurdos.

"La quiralidad de los sistemas de moléculas y materiales a menudo dicta sus propiedades, "El Dr. Balazs explicó." La capacidad de alterar de forma dinámica y reversible la quiralidad o impulsar una estructura aquiral en una quiral podría proporcionar un enfoque único para cambiar las propiedades de un sistema dado sobre la marcha ". Hasta la fecha, sin embargo, Lograr este nivel de mutabilidad estructural sigue siendo un desafío abrumador. Por eso, estos hallazgos son emocionantes porque estos LCE son intrínsecamente aquirales, pero pueden volverse quirales en presencia de luz ultravioleta y volver a aquirales cuando se elimina la luz ".

Los investigadores descubrieron este comportamiento dinámico distintivo a través de su modelo informático de un poste LCE microscópico anclado a una superficie en el aire. Las moléculas (los mesógenos) que se extienden desde la columna vertebral de LCE están todas alineadas a 45 grados (con respecto a la superficie) por un campo magnético; además, los LCE están reticulados con un material sensible a la luz. "Cuando simulamos hacer brillar una luz en una dirección, las moléculas de LCE se desorganizarían y todo el poste de LCE se giraría hacia la izquierda; brillar en la dirección opuesta y se tuerce hacia la derecha, "El Dr. Waters describió. Estos resultados de modelado fueron corroborados por los hallazgos experimentales del grupo de Harvard.

Dando un paso más, los investigadores utilizaron su modelo de computadora validado para diseñar postes LCE "quimera" donde las moléculas en la mitad superior del poste se alinean en una dirección y se alinean en otra dirección en la mitad inferior. Con la aplicación de la luz, Estas estructuras de quimera pueden doblarse y torcerse simultáneamente, imitando el movimiento complejo habilitado por el sistema muscular humano.

"Esto es muy parecido a cómo un titiritero controla una marioneta, pero en este caso la luz sirve como cuerdas, y podemos crear movimientos dinámicos y reversibles mediante el acoplamiento químico, óptico, y energía mecánica, "El Dr. Balazs dijo." Ser capaz de entender cómo diseñar sistemas artificiales con esta compleja integración es fundamental para crear materiales adaptables que puedan responder a los cambios en el medio ambiente. Especialmente en el campo de la robótica blanda, esto es esencial para la construcción de dispositivos que exhiben controlables, comportamiento dinámico sin necesidad de componentes electrónicos complejos ".