En un avance que podría transformar el diseño de robots, prótesis inteligentes y sistemas interactivos, ingenieros de la Universidad de Princeton desarrollaron un material sintético capaz de moverse, expandirse y adoptar formas complejas sin necesidad de motores, engranajes o sistemas hidráulicos.
Lo que distingue a este nuevo e innovador material, que representa ya un hito en la ciencia de los materiales y la robótica blanda, no es solo su capacidad para cambiar de forma, sino cómo lo hace: mediante la respuesta a campos electromagnéticos externos.
Es decir, en lugar de requerir motores internos o mecanismos complejos, el material responde a señales inalámbricas que le indican cuándo y cómo moverse. Este tipo de comportamiento, hasta hace poco reservado al reino de la ciencia ficción, se basa en una sofisticada arquitectura molecular integrada en un gel compuesto.
A simple vista el material puede parecer una lámina plástica, pero en su interior contiene una red de partículas magnéticas y estructuras flexibles programables. Cuando se les aplica un campo electromagnético, estas partículas se alinean y generan fuerzas internas que empujan, pliegan o expanden distintas partes del material. Como resultado, el objeto puede rodar, saltar, contraerse, estirarse o asumir formas tridimensionales previamente definidas.
Biología en la aplicación robótica
Este tipo de materiales inteligentes forma parte de una tendencia creciente en ingeniería llamada materiales activos o materiales programables, que se inspiran en sistemas biológicos.
Por ejemplo, los músculos humanos se contraen en respuesta a impulsos eléctricos, sin necesidad de engranajes; del mismo modo, este material se activa mediante señales externas para realizar tareas mecánicas.
Los investigadores de Princeton han demostrado que pueden diseñar piezas que simulan músculos artificiales, ruedas que giran sin un eje y objetos capaces de reconfigurarse dinámicamente en tiempo real.
Este tipo de comportamiento puede tener múltiples aplicaciones en entornos donde la robótica tradicional encuentra límites, como el cuerpo humano, donde la flexibilidad, la miniaturización y la respuesta adaptativa son esenciales.
El corazón del material es una matriz de hidrogel —una sustancia suave y flexible compuesta mayoritariamente de agua— combinada con partículas ferromagnéticas y una red de polímeros reconfigurables. El equipo de Princeton desarrolló un proceso de fabricación que permite programar localmente la respuesta del material al campo electromagnético. Así, se pueden definir zonas que se expanden, se doblan o giran de maneras distintas, generando movimientos complejos a partir de una sola señal externa.
Durante las pruebas de laboratorio los investigadores construyeron objetos que se desplazaban por superficies, subían rampas o se ajustaban a distintos entornos sin necesidad de cables, baterías ni componentes rígidos.
“Es un sistema completamente autónomo en términos de movimiento, pero dependiente de una señal remota que lo dirige como un control a distancia”, explicó el líder del proyecto, el profesor Pierre-Thomas Brun.
Alcances
Uno de los campos con más potencial para esta tecnología es la medicina. Imaginemos, por ejemplo, una cápsula que pueda ser ingerida y navegar por el tracto digestivo, cambiar de forma para sortear obstáculos o liberar un fármaco en un punto específico, todo sin componentes eléctricos en su interior. O bien, prótesis musculares que reaccionan en tiempo real a estímulos nerviosos, imitando con precisión la movilidad humana sin necesidad de motores.
También podría usarse en textiles inteligentes capaces de adaptarse al clima, estructuras reconfigurables en el espacio o dispositivos blandos que se integren en la piel para monitoreo de salud.
El hecho de que el material pueda operar sin circuitos complejos ni fuentes de energía internas reduce el peso, el costo y el riesgo de fallos, ampliando las posibilidades para crear dispositivos ligeros, seguros y versátiles.
Sin embargo, aún quedan obstáculos importantes para que este tipo de materiales pueda implementarse fuera del laboratorio.
Uno de ellos es la necesidad de campos electromagnéticos controlados con precisión, lo que podría requerir sistemas adicionales en el entorno donde opere el robot. Además, aunque el material puede realizar movimientos complejos, todavía está lejos de competir con la precisión y potencia de los actuadores tradicionales en tareas que requieren fuerza o velocidad.
Nueva era
Este descubrimiento se inscribe en una tendencia más amplia hacia la robótica blanda (soft robotics), una disciplina que busca construir máquinas más parecidas a organismos vivos que a estructuras mecánicas tradicionales. Estas máquinas, hechas de materiales flexibles, pueden interactuar de forma segura con humanos, navegar en ambientes impredecibles o realizar tareas en espacios confinados sin provocar daños.
Para los investigadores este tipo de innovación redefine el concepto de lo que un robot puede ser. “Estamos pasando de pensar en robots como cajas metálicas con motores, a verlos como sistemas materiales inteligentes capaces de adaptarse por sí mismos”, expuso Brun.
El equipo de Princeton ya trabaja en mejorar la velocidad de respuesta del material, aumentar su fuerza y explorar su comportamiento en diferentes condiciones ambientales. Además, colabora con otros centros de investigación para estudiar su integración en sistemas médicos, aeroespaciales y portátiles.
En los próximos años se esperan los primeros dispositivos con base en esta tecnología aplicados a la microcirugía, la exploración submarina o el diseño de juguetes interactivos.
A largo plazo, podría incluso cambiar la forma en que concebimos el diseño de máquinas: no como ensamblajes de piezas rígidas, sino como cuerpos vivos capaces de adaptarse, transformarse y aprender del entorno.
¿Cómo funciona el material robótico sin motor?
Composición Hidrogel flexible (80% agua), partículas ferromagnéticas, polímeros reconfigurables.
Activación Señales electromagnéticas externas: no necesita motores, baterías ni engranajes.
Movimiento Se dobla, estira, gira o expande según la señal; puede rodar, saltar o cambiar de forma.
Mando Como un control remoto: se dirige a distancia; programación local del material para tareas específicas.
Concepto Funciona como un músculo artificial; imita respuestas biológicas.
Aplicaciones posibles Medicina (prótesis, cápsulas inteligentes); textiles inteligentes; exploración espacial; robótica adaptable.
Innovación Se activa por campos electromagnéticos, puede cambiar de forma con precisión y moverse sin cables ni estructuras rígidas.
Fuente: Universidad de Princeton