En un experimento que recuerda a la saga cinematográfica Transformers, ingenieros de la Universidad de Princeton crearon un tipo de material que puede expandirse, adoptar nuevas formas, moverse y seguir órdenes electromagnéticos como un robot con un mando a distancia, aunque carece de motor o engranajes internos.

“Se puede transformar un material en un robot, y se controla con un campo magnético externo”, afirmó el investigador Glaucio Paulino, líder del estudio publicado en Nature. El equipo de Paulino se inspiró en el arte del origami para crear una estructura que difumina los límites entre la robótica y los materiales. El invento es un metamaterial, un material diseñado para presentar propiedades nuevas e inusuales que dependen de su estructura física y no de su composición química.

En este caso, el equipo de Paulino construyó su metamaterial utilizando una combinación de plásticos simples y compuestos magnéticos hechos a medida. Luego, mediante un campo magnético, modificaron la estructura del metamaterial, provocando su expansión, movimiento y deformación en diferentes direcciones, todo ello de forma remota y sin tocarlo.

“Los campos electromagnéticos transportan potencia y señal simultáneamente. Cada comportamiento es muy simple, pero al combinarlos, el comportamiento puede ser muy complejo – añade Minjie Chen, coautor del estudio -. Esta investigación ha superado los límites de la electrónica de potencia al demostrar que el par puede transmitirse de forma remota, instantánea y precisa a distancia para activar complejos movimientos robóticos”.

El resultado es un conjunto modular de numerosas celdas unitarias reconfigurables que son imágenes especulares entre sí. Esta duplicación, denominada quiralidad, permite comportamientos complejos: como contorsiones, giros, contracciones y hasta encogerse con un simple toque.

“El trabajo actual ha logrado metamateriales mecánicos extremadamente versátiles al controlar el ensamblaje y el estado quiral de los módulos – afirma el estudio -. La versatilidad y la funcionalidad potencial de los metamateriales modulares y quirales del origami son realmente impresionantes”.

Para ver de qué era capaz este metabot, que “impulsaría la robótica blanda, la ingeniería aeroespacial, la absorción de energía y la termorregulación espontánea” (según los autores), se utilizó una máquina de litografía láser para crear un prototipo de metabot de 100 micras de altura (un poco más grueso que un cabello humano). Gracias a él se descubrió que robots similares podrían algún día administrar medicamentos a partes específicas del cuerpo o ayudar a los cirujanos a reparar huesos o tejidos dañados.

El equipo de Chen también utilizó el metamaterial para crear un termorregulador que funciona alternando entre una superficie negra que absorbe la luz y una reflectante. En un experimento expusieron el metamaterial a la luz solar intensa y lograron ajustar la temperatura de la superficie de 27 grados Celsius a 70 °C y viceversa. Otro posible uso reside en aplicaciones para antenas, lentes y dispositivos que procesan longitudes de onda de luz.

La clave de este metamaterial es la geometría. Los autores construyeron tubos de plástico con puntales de soporte dispuestos de forma que los tubos se retuercen al comprimirse y se comprimen al torcerse. En origami, estos tubos se denominan Patrones Kresling. Los investigadores crearon los componentes básicos de su diseño conectando dos tubos Kresling, que son imágenes especulares, en la base para formar un cilindro largo. Como resultado, un extremo del cilindro se pliega al girarse en una dirección y el otro al girarse en la dirección opuesta.

Este sencillo patrón de tubos repetitivos permite mover cada sección del tubo de forma independiente mediante campos magnéticos diseñados con precisión. El campo magnético hace que los tubos Kresling se tuerzan, colapsen o se abran, creando comportamientos complejos.

Paulino explicó que una consecuencia de la quiralidad (las secciones especulares) es que el material puede desafiar las reglas típicas de acción y reacción de los objetos físicos. “Normalmente, si giro una viga de goma en sentido horario y luego en sentido antihorario, vuelve a su punto de partida – señala Paulino _. En este caso creamos un metabot que colapsa al girarse en sentido horario. El dispositivo se vuelve a abrir al girarlo en sentido antihorario, lo cual es un comportamiento normal. Sin embargo, si se gira en sentido contrario (en sentido antihorario y luego en sentido horario), el mismo dispositivo colapsa y luego colapsa aún más”.

Este comportamiento asimétrico simula un fenómeno llamado histéresis, en el cual la respuesta de un sistema a un estímulo depende del historial de cambios dentro del sistema. Estos sistemas, presentes en ingeniería, física y economía, son difíciles de modelar matemáticamente.