Los músculos artificiales son una tecnología en progreso que algún día podría permitir que los robots funcionen como organismos vivos. Tales músculos abren nuevas posibilidades sobre cómo los robots pueden dar forma al mundo que nos rodea; desde dispositivos portátiles de asistencia que pueden redefinir nuestras habilidades físicas en la vejez, hasta robots de rescate que pueden navegar entre escombros en busca de personas desaparecidas. Pero el hecho de que los músculos artificiales puedan tener un fuerte impacto social durante su uso no significa que tengan que dejar un fuerte impacto ambiental después de su uso.
El tema de la sostenibilidad en la robótica blanda ahora ha sido abordado por un equipo internacional de investigadores del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes (MPI-IS) en Stuttgart (Alemania), la Universidad Johannes Kepler (JKU) en Linz (Austria) , y la Universidad de Colorado (CU Boulder), Boulder (EE.UU.). Los científicos colaboraron para diseñar un músculo artificial de alto rendimiento totalmente biodegradable, basado en gelatina, aceite y bioplásticos. Muestran el potencial de esta tecnología biodegradable al usarla para animar una pinza robótica, que podría ser especialmente útil en implementaciones de un solo uso, como la recolección de desechos. Al final de la vida, estos músculos artificiales se pueden desechar en contenedores de compost municipales; bajo condiciones monitoreadas, se biodegradan completamente en seis meses.
“Vemos una necesidad urgente de materiales sostenibles en el campo acelerado de la robótica blanda. Las piezas biodegradables podrían ofrecer una solución sostenible, especialmente para aplicaciones de un solo uso, como operaciones médicas, misiones de búsqueda y rescate y manipulación de sustancias peligrosas. de acumularse en los vertederos al final de la vida útil del producto, los robots del futuro podrían convertirse en abono para el crecimiento futuro de las plantas», dice Ellen Rumley, científica visitante de CU Boulder que trabaja en el Departamento de Materiales Robóticos de MPI-IS. Rumley es coautor del artículo «Actuadores electrohidráulicos biodegradables para robots blandos sostenibles», que se publicará en Science Advances el 22 de marzo de 2023.
Específicamente, el equipo de investigadores construyó un músculo artificial accionado eléctricamente llamado HASEL. En esencia, los HASEL son bolsas de plástico llenas de aceite que están parcialmente cubiertas por un par de conductores eléctricos llamados electrodos. La aplicación de un alto voltaje a través del par de electrodos hace que se acumulen cargas opuestas sobre ellos, generando una fuerza entre ellos que empuja el aceite hacia una región libre de electrodos de la bolsa. Esta migración de aceite hace que la bolsa se contraiga, como un músculo real. El requisito clave para que los HASEL se deformen es que los materiales que componen la bolsa de plástico y el aceite sean aislantes eléctricos, que puedan soportar las altas tensiones eléctricas generadas por los electrodos cargados.
Uno de los desafíos de este proyecto fue desarrollar un electrodo conductor, suave y completamente biodegradable. Investigadores de la Universidad Johannes Kepler crearon una receta basada en una mezcla de sales y gelatina de biopolímero que se puede verter directamente en los actuadores HASEL. «Era importante para nosotros fabricar electrodos adecuados para estas aplicaciones de alto rendimiento, pero con componentes fácilmente disponibles y una estrategia de fabricación accesible. Dado que nuestra formulación presentada se puede integrar fácilmente en varios tipos de sistemas accionados eléctricamente, sirve como componente básico para futuras aplicaciones biodegradables», afirma David Preninger, coautor de este proyecto y científico de la División de Física de Materia Blanda de JKU.
El siguiente paso fue encontrar plásticos biodegradables adecuados. Los ingenieros de este tipo de materiales se preocupan principalmente por propiedades como la tasa de degradación o la resistencia mecánica, no por el aislamiento eléctrico; un requisito para los HASEL que funcionan a unos pocos miles de voltios. No obstante, algunos bioplásticos mostraron una buena compatibilidad material con los electrodos de gelatina y suficiente aislamiento eléctrico. Los HASEL fabricados con una combinación de materiales específica incluso pudieron resistir 100 000 ciclos de activación a varios miles de voltios sin signos de falla eléctrica o pérdida de rendimiento. Estos músculos artificiales biodegradables son electromecánicamente competitivos con sus contrapartes no biodegradables; un resultado emocionante para promover la sostenibilidad en la tecnología de músculos artificiales.
«Al mostrar el excelente desempeño de este nuevo sistema de materiales, estamos brindando un incentivo para que la comunidad de robótica considere los materiales biodegradables como una opción de material viable para construir robots», continúa Ellen Rumley. «Es de esperar que el hecho de que hayamos logrado resultados tan excelentes con bioplásticos también motive a otros científicos de materiales a crear nuevos materiales con un rendimiento eléctrico optimizado en mente».
Con la tecnología verde cada vez más presente, el proyecto de investigación del equipo es un paso importante hacia un cambio de paradigma en la robótica blanda. El uso de materiales biodegradables para construir músculos artificiales es solo un paso para allanar el futuro de la tecnología robótica sostenible.