Los ingenieros de la Universidad de Duke han desarrollado una superficie blanda escalable que puede remodelarse continuamente para imitar objetos en la naturaleza. Basándose en la actuación electromagnética, el modelado mecánico y el aprendizaje automático para formar nuevas configuraciones, la superficie puede incluso aprender a adaptarse a obstáculos como elementos rotos, restricciones inesperadas o entornos cambiantes.

La investigación aparece en línea el 21 de septiembre en la revista Nature .

"Estamos motivados por la idea de controlar las propiedades de los materiales o los comportamientos mecánicos de un objeto de ingeniería sobre la marcha, lo que podría ser útil para aplicaciones como la robótica blanda, la realidad aumentada, los materiales biomiméticos y los dispositivos portátiles específicos de la materia", dijo Xiaoyue Ni, profesor asistente de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en Duke. "Nos estamos enfocando en diseñar la forma de la materia que no ha sido predeterminada, lo cual es una tarea bastante difícil de lograr, especialmente para materiales blandos".

El trabajo previo sobre la materia que se transforma, según Ni, normalmente no ha sido programable; ha sido programado en su lugar. Es decir, las superficies suaves equipadas con elementos activos diseñados pueden cambiar sus formas entre pocas formas, como una pieza de origami, en respuesta a la luz, el calor u otros estímulos desencadenantes. Por el contrario, Ni y su laboratorio querían crear algo mucho más controlable que pudiera transformarse y reconfigurarse tantas veces como quisiera en cualquier forma físicamente posible.

Para crear tal superficie, los investigadores comenzaron por diseñar una cuadrícula de vigas en forma de serpiente hechas de una fina capa de oro encapsulada por una fina capa de polímero. Los haces individuales tienen solo ocho micrómetros de grosor, aproximadamente el grosor de una fibra de algodón, y menos de un milímetro de ancho. La ligereza de los haces permite que las fuerzas magnéticas los deformen fácil y rápidamente.

Para generar fuerzas locales, la superficie se coloca en un campo magnético estático de bajo nivel. Los cambios de voltaje crean una corriente eléctrica compleja pero fácilmente predecible a lo largo de la rejilla dorada, lo que provoca el desplazamiento fuera del plano de la rejilla.

"Esta es la primera superficie blanda artificial que es lo suficientemente rápida como para imitar con precisión un proceso de cambio de forma continuo en la naturaleza", dijo Ni. "Un avance clave es el diseño estructural que permite una relación lineal inusual entre las entradas eléctricas y la forma resultante, lo que facilita descubrir cómo aplicar voltajes para lograr una amplia variedad de formas objetivo".

La nueva "metasuperficie" muestra una amplia gama de habilidades de transformación e imitación. Crea protuberancias que se elevan y se mueven alrededor de la superficie como un gato tratando de salir de debajo de una manta, patrones de ondas oscilantes y una réplica convincente de una gota de líquido que gotea y cae sobre una superficie sólida. Y produce estas formas y comportamientos a cualquier velocidad o aceleración deseada, lo que significa que puede volver a imaginar ese gato atrapado o la gota que gotea en cámara lenta o en avance rápido.

Con cámaras que monitorean la superficie cambiante, la superficie del contorsionista también puede aprender a recrear formas y patrones por sí misma. Al ajustar lentamente los voltajes aplicados, un algoritmo de aprendizaje toma retroalimentación de imágenes 3D y descubre qué efectos tienen las diferentes entradas en la forma de la metasuperficie.

En el documento, una palma humana manchada con 16 puntos negros se mueve lentamente debajo de una cámara y la superficie refleja los movimientos a la perfección.

"El control no tiene que saber nada sobre la física de los materiales, solo da pequeños pasos y observa si se está acercando al objetivo o no", dijo Ni. "Actualmente toma alrededor de dos minutos lograr una nueva forma, pero esperamos eventualmente mejorar el sistema de retroalimentación y el algoritmo de aprendizaje hasta el punto de que sea casi en tiempo real".

Debido a que la superficie aprende a moverse por sí misma a través de prueba y error, también puede adaptarse a daños, restricciones físicas inesperadas o cambios ambientales. En un experimento, aprende rápidamente a imitar un montículo abultado a pesar de que uno de sus rayos está cortado. En otro, logra imitar una forma similar a pesar de que se ha colocado un peso en uno de los nodos de la cuadrícula.

Hay muchas oportunidades inmediatas para ampliar la escala y la configuración de la superficie blanda. Por ejemplo, una matriz de superficies puede escalar el tamaño hasta el de una pantalla táctil. O las técnicas de fabricación con mayor precisión pueden reducir el tamaño a un milímetro, haciéndolo más adecuado para aplicaciones biomédicas.

En el futuro, Ni quiere crear metasuperficies robóticas con funciones integradas de detección de formas para realizar imitaciones de formas en tiempo real de superficies complejas y dinámicas en la naturaleza, como las ondas de agua, las aletas de los peces o el rostro humano. El laboratorio también puede estudiar la incorporación de más componentes en el prototipo, como fuentes de alimentación integradas, sensores, recursos informáticos o capacidades de comunicación inalámbrica.

"Junto con la búsqueda de crear materiales programables y robóticos, imaginamos que los materiales del futuro podrán modificarse para cumplir funciones de forma dinámica e interactiva", dijo Ni. "Dichos materiales pueden detectar y percibir requisitos o información de los usuarios, y transformarse y adaptarse de acuerdo con las necesidades en tiempo real de su desempeño específico, al igual que los microbots en Big Hero 6. La superficie blanda puede encontrar aplicaciones como un robot teleoperado, visualización 3D dinámica, camuflaje, exoesqueleto u otras superficies inteligentes y funcionales que pueden funcionar en entornos hostiles e impredecibles". + Explora más

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