En los últimos años, los especialistas en robótica y los científicos de materiales de todo el mundo han intentado crear sistemas artificiales que se parezcan a las partes del cuerpo humano y reproduzcan sus funciones. Estos incluyen pieles artificiales, capas protectoras que también podrían mejorar las capacidades de detección de los robots.

Investigadores de la Universidad de Donghua en China y el Centro Jülich para la Ciencia de Neutrones (JCNS) en Alemania han desarrollado recientemente una piel iónica artificial nueva y muy prometedora basada en una nanomalla elástica autorreparable, una estructura entretejida que se asemeja a la piel humana. Esta piel artificial, presentada en un artículo publicado en Nature Communications , es suave, no se fatiga y se autorrepara.

"Como sabemos, la piel es el órgano más grande del cuerpo humano, que actúa como una capa protectora y una interfaz sensorial para mantener nuestro cuerpo sano y perceptivo", dijo a TechXplore Shengtong Sun, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. . "Con el rápido desarrollo de la inteligencia artificial y la robótica blanda, los investigadores actualmente están tratando de recubrir a los robots humanoides con una 'piel artificial' que replique todas las propiedades mecánicas y sensoriales de la piel humana, para que también puedan percibir el entorno externo en constante cambio como nosotros. ."

Dado que la piel humana es un sistema altamente complejo y sofisticado, imitar todas sus funciones puede ser extremadamente desafiante. Por ejemplo, la piel humana puede sentir una variedad de cambios ambientales, incluida la presión, la deformación de su superficie y las variaciones de temperatura, simplemente captando señales electrónicas basadas en iones.

"La piel humana se siente suave, pero se vuelve muy firme cuando se estira", dijo Sun. "La piel también puede curar heridas de forma natural en unos pocos días al reparar por completo su estructura y funciones. Más importante aún, durante aproximadamente 1 millón de ciclos de deformaciones por año junto con los movimientos del cuerpo, las propiedades de la piel no se degradarán, lo que sugiere muy buenas propiedades antifatiga. ."

Aunque los científicos de materiales han ideado recientemente varias pieles artificiales, también conocidas como pieles electrónicas o iónicas, la mayoría de estos sistemas solo pueden reproducir una parte de los atributos naturales de la piel. Sun y sus colegas han intentado diseñar materiales más realistas y similares a la piel durante varios años.

"Mientras realizábamos nuestros estudios, notamos que la piel combina varias propiedades intrigantes mediante una estructura nanofibrosa jerárquica, que se define por un andamio rígido de fibrillas de colágeno incrustado en la suave matriz de elastina entretejida", dijo Sun. "Estas dos fases no solo se curan con la ayuda de los fibroblastos dérmicos sobre la herida, sino que también imparten una gran resistencia a la fractura a la piel humana al fijar el daño en las duras nanofibrillas de colágeno".

Inspirándose en la estructura natural de la piel, los investigadores se propusieron diseñar una nueva piel artificial basada en una nanomalla autorreparable y una matriz iónica, que pueden replicar las funciones del colágeno y la elastina, respectivamente. Esto dio como resultado un material similar a la piel que es suave pero se vuelve firme cuando se estira, una propiedad conocida como "endurecimiento por deformación". Además, su piel artificial puede curarse a sí misma de forma autónoma después de sufrir daños, es resistente a la fatiga y responde rápidamente a las deformaciones de la forma, lo que es particularmente deseable para las aplicaciones de detección.

"Inspirándonos en la estructura nanofibrosa reparable de la piel, creamos una piel iónica artificial incrustando un andamio de nanomalla elástica autorreparable en otra matriz iónica blanda autoreparable", dijo Sun. "La nanomalla se produjo electrohilando nuestro poliuretano sintético, que puede autorrepararse mediante el intercambio de enlaces disulfuro a temperatura ambiente. La matriz iónica se fabricó evaporando la solución acuosa de poli(acrilamida-co-ácido acrílico), ácido hialurónico y CaCl₂ , que puede curar con la ayuda de la humedad. Debido a la capacidad de curación de los dos materiales originales, la piel iónica híbrida también puede curar los daños en un corto período de tiempo".

La piel artificial creada por Sun y sus colegas tiene una estructura elástica y nanofibrosa única que la hace altamente resistente a la fatiga. Más específicamente, sus nanofibras de poliuretano incrustadas pueden cubrir grandes longitudes de transferencia de fuerza, lo que reduce las grietas y evita que se propaguen más.

En las evaluaciones iniciales, el sistema de piel artificial logró resultados muy prometedores. El equipo descubrió que incluso con una muesca precortada, el iónico híbrido permaneció intacto durante más de 10 000 ciclos de estiramiento. El umbral de fatiga calculado de la piel iónica híbrida es ~2950 J m ^-2 , casi dos veces mayor que el músculo humano (1.000 J m ^-2 ).

"La suavidad y la capacidad de estiramiento son las dos propiedades mecánicas más importantes para los materiales de detección similares a la piel", dijo Sun. "Sin embargo, los diseños de materiales convencionales para la suavidad y la capacidad de estiramiento a menudo conducen a una baja robustez, lo que es contrario a la vida útil de las pieles iónicas. Abordamos este problema produciendo una piel iónica híbrida que imita la estructura nanofibrosa reparable de la piel humana". /P>

El sistema similar a la piel creado por este equipo de investigadores se encuentra entre las primeras pieles artificiales que no solo son suaves y elásticas, sino que también se autocuran de manera confiable y son resistentes a la fatiga. En el futuro, el diseño propuesto por Sun y sus colegas podría usarse para crear otras estructuras robustas y conductoras de iones basadas en otras combinaciones de materiales.

Además, su sistema de piel artificial podría ayudar al desarrollo de robots humanoides que sean más resistentes a la fatiga, tengan un mejor rendimiento y no se dañen tan fácilmente con el tiempo. Si bien la piel iónica del equipo logró resultados notables hasta ahora, todavía tiene algunas limitaciones notables, que Sun y sus colegas esperan superar con el tiempo.

"Debido a que usamos hidrogel higroscópico como matriz iónica, la estabilidad ambiental es relativamente pobre, especialmente en condiciones de cambio de humedad", agregó Sun. "En condiciones ambientales muy secas, la matriz iónica se endurecerá con la pérdida de agua, y la capacidad de autocuración de la piel también será difícil de realizar. Para superar este límite, ahora estamos motivados para producir pieles iónicas aún más robustas que puedan trabajar de manera confiable en condiciones adversas, como temperaturas bajas y altas, bajo el agua, vacío o en presencia de sustancias corrosivas. Esto será muy útil para los robots blandos que se espera que operen en entornos aún más complicados y variables que los habitados por humanos. ." + Explora más

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