Las máquinas en miniatura pueden cambiar de sólido a líquido y viceversa para meterse en espacios reducidos y realizar tareas como soldar una placa de circuito, informan los investigadores el 25 de enero en Matter.

Esta propiedad de cambio de fase, que se puede controlar de forma remota con un campo magnético, se debe al metal galio. Los investigadores incrustaron el metal con partículas magnéticas. Para dirigir los movimientos del metal con imanes. Este nuevo material podría ayudar a los científicos a desarrollar robots suaves y flexibles que puedan moverse a través de pasajes estrechos y ser guiados externamente.  

Los científicos han estado desarrollando robots blandos controlados magnéticamente durante años. La mayoría de los materiales existentes para estos bots están hechos de materiales elásticos pero sólidos, que no pueden atravesar los espacios más estrechos, o líquidos magnéticos, que son fluidos pero no pueden transportar objetos pesados ​​(SN: 18/7/19).

En el nuevo estudio, los investigadores combinaron ambos enfoques después de encontrar inspiración en la naturaleza (SN: 3/3/21). Los pepinos de mar, por ejemplo, “pueden cambiar su rigidez de manera muy rápida y reversible”, dice el ingeniero mecánico Carmel Majidi de la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh. “El desafío para nosotros como ingenieros es imitar eso en los sistemas de materiales blandos”.

Entonces, el equipo recurrió al galio, un metal que se funde a unos 30° Celsius, ligeramente por encima de la temperatura ambiente. En lugar de conectar un calentador a un trozo de metal para cambiar su estado, los investigadores lo exponen a un campo magnético que cambia rápidamente para licuarlo. El campo magnético alterno genera electricidad dentro del galio, lo que hace que se caliente y se derrita. El material se vuelve a solidificar cuando se deja enfriar a temperatura ambiente.

Dado que las partículas magnéticas se rocían por todo el galio, un imán permanente puede arrastrarlo. En forma sólida, un imán puede mover el material a una velocidad de alrededor de 1,5 metros por segundo. El galio mejorado también puede transportar unas 10.000 veces su peso.

Los imanes externos aún pueden manipular la forma líquida, haciéndola estirar, dividir y fusionar. Pero controlar el movimiento del fluido es más desafiante, porque las partículas en el galio pueden girar libremente y tener polos magnéticos desalineados como resultado de la fusión. Debido a sus diversas orientaciones, las partículas se mueven en diferentes direcciones en respuesta a un imán.

Majidi y sus colegas probaron su estrategia en pequeñas máquinas que realizaban diferentes tareas. En una demostración sacada directamente de la película Terminator 2 , una persona de juguete escapó de una celda de la cárcel derritiéndose a través de los barrotes y resolidificándose en su forma original usando un molde colocado justo fuera de los barrotes.

En el lado más práctico, una máquina extrajo una pequeña bola de un estómago humano modelo derritiéndola ligeramente para envolverse alrededor del objeto extraño antes de salir del órgano. Pero el galio por sí solo se convertiría en una sustancia pegajosa dentro de un cuerpo humano real, ya que el metal es un líquido a la temperatura corporal, alrededor de 37 °C. Algunos metales más, como el bismuto y el estaño, se agregarían al galio en aplicaciones biomédicas. para elevar el punto de fusión del material, dicen los autores. En otra demostración, el material se licuó y volvió a endurecer para soldar una placa de circuito.

Con la ayuda de imanes permanentes y variables, los investigadores convirtieron trozos de galio en dispositivos que cambian de forma. En el primer clip, una figura de juguete escapa de su celda licuándose, deslizándose a través de los barrotes y resolidificándose usando un molde colocado justo fuera de los barrotes. En el segundo clip, un dispositivo extrae una bola de un estómago humano modelo derritiéndose ligeramente para envolverse alrededor del objeto extraño y salir del órgano.

Aunque este material de cambio de fase es un gran paso en el campo, quedan dudas sobre sus aplicaciones biomédicas, dice el ingeniero biomédico Amir Jafari de la Universidad del Norte de Texas en Denton, que no participó en el trabajo. Un gran desafío, dice, es controlar con precisión las fuerzas magnéticas dentro del cuerpo humano que se generan a partir de un dispositivo externo.

“Es una herramienta convincente”, dice el ingeniero en robótica Nicholas Bira de la Universidad de Harvard, quien tampoco participó en el estudio. Pero, añade, los científicos que estudian la robótica blanda crean constantemente nuevos materiales.

“La verdadera innovación por venir radica en combinar estos diferentes materiales innovadores”.

CITAS

P. Wang et al. Materia de transición magnetoactiva fase líquido-sólido. Importar. Publicado en línea el 25 de enero de 2023. doi: 10.1016/j.matt.2022.12.003

Acerca de McKenzie Prillaman

McKenzie Prillaman es la pasante de redacción científica de la primavera de 2023 en  Science News . Tiene una licenciatura en neurociencia con especialización en bioética de la Universidad de Virginia y una maestría en comunicación científica de la Universidad de California, Santa Cruz.