La mayoría de los esfuerzos para desarrollar robots bio-inspirados se centran en imitar los movimientos de los animales: pero las plantas se mueven también, aunque la mayoría de sus movimientos son tan lentos que no pueden ser detectados por el ojo desnudo.
El mecanismo implicado en el movimiento de las plantas es mucho más simple que el de los animales utilizando los músculos. Para generar el movimiento, las plantas y algunas semillas -como las hojas de mimosa, la venus atrapamoscas y las piñas - simplemente aprovechar el suministro o la privación de agua de los tejidos vegetales.
El futuro de la ingeniería y la robótica bio-inspiradas se beneficiará enormemente de las lecciones aprendidas de las plantas, según un grupo de investigadores de la Universidad Nacional de Seúl (Corea del Sur). Durante la 68ª Reunión Anual de la División de Dinámica de Fluidos de la American Physical Society (APS), que se celebra en Boston (EE.UU.) desde el domingo y hasta hoy, han compartido detalles acerca de cómo las plantas que estudian les permitieron crear pequeños robots alimentados exclusivamente por los cambios de humedad.
La pura simplicidad de la manera en que las piñas y las semillas de pino responden a los cambios en la humedad del medio ambiente con movimiento está en el centro de trabajo del grupo.
"Algunas semillas consisten en una cabeza que contiene toda su información genética, junto con un largo apéndice llamado arista, que se encarga de la locomoción -igual que en el esperma de un animal", explica Ho-Young Kim, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad Nacional de Seúl, en la nota de prensa de la APS, recogida por Newswise. "Las aristas se componen de dos capas de tejido: una que se hincha con la humedad (activa), y otra que es insensible al cambio de humedad (inactiva)."
Si aumenta la humedad ambiental, la bicapa se inclina por los cambios en el abultamiento en sentido longitudinal. Cambios de humedad periódicos causan que la bicapa se doble y enderece repetidamente -lo cual significa que los cambios en la humedad ambiental se pueden convertir en trabajo mecánico.
"Hemos imitado la estructura bicapa para hacer un actuador que pueda generar movimientos mediante el cambio de la humedad ambiental", dice Kim. "Las plantas se mueven lentamente: un ciclo de flexión e inflexión puede llevar un día entero. Para aumentar la velocidad de respuesta de la bicapa, tuvimos que desarrollar una nueva manera de fabricar la capa activa. Su velocidad de respuesta aumenta con la ratio superficie-volumen de la capa porque la humedad puede ser absorbida más rápidamente, así que depositamos fibras activas de tamaño nanométrico sobre una capa inactiva".
Aunque es un paso clave en la creación de un robot, la flexión e inflexión repetidas no producen ninguna locomoción neta. "Este movimiento cíclico se debe convertir en un movimiento direccional para crear un robot que se mueva", dice el investigador. "Así que añadimos unas patas a nuestro actuador, que permiten una locomoción solamente unidireccional".
El mecanismo implicado en el movimiento de las plantas es mucho más simple que el de los animales utilizando los músculos. Para generar el movimiento, las plantas y algunas semillas -como las hojas de mimosa, la venus atrapamoscas y las piñas - simplemente aprovechar el suministro o la privación de agua de los tejidos vegetales.
El futuro de la ingeniería y la robótica bio-inspiradas se beneficiará enormemente de las lecciones aprendidas de las plantas, según un grupo de investigadores de la Universidad Nacional de Seúl (Corea del Sur). Durante la 68ª Reunión Anual de la División de Dinámica de Fluidos de la American Physical Society (APS), que se celebra en Boston (EE.UU.) desde el domingo y hasta hoy, han compartido detalles acerca de cómo las plantas que estudian les permitieron crear pequeños robots alimentados exclusivamente por los cambios de humedad.
La pura simplicidad de la manera en que las piñas y las semillas de pino responden a los cambios en la humedad del medio ambiente con movimiento está en el centro de trabajo del grupo.
"Algunas semillas consisten en una cabeza que contiene toda su información genética, junto con un largo apéndice llamado arista, que se encarga de la locomoción -igual que en el esperma de un animal", explica Ho-Young Kim, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad Nacional de Seúl, en la nota de prensa de la APS, recogida por Newswise. "Las aristas se componen de dos capas de tejido: una que se hincha con la humedad (activa), y otra que es insensible al cambio de humedad (inactiva)."
Si aumenta la humedad ambiental, la bicapa se inclina por los cambios en el abultamiento en sentido longitudinal. Cambios de humedad periódicos causan que la bicapa se doble y enderece repetidamente -lo cual significa que los cambios en la humedad ambiental se pueden convertir en trabajo mecánico.
"Hemos imitado la estructura bicapa para hacer un actuador que pueda generar movimientos mediante el cambio de la humedad ambiental", dice Kim. "Las plantas se mueven lentamente: un ciclo de flexión e inflexión puede llevar un día entero. Para aumentar la velocidad de respuesta de la bicapa, tuvimos que desarrollar una nueva manera de fabricar la capa activa. Su velocidad de respuesta aumenta con la ratio superficie-volumen de la capa porque la humedad puede ser absorbida más rápidamente, así que depositamos fibras activas de tamaño nanométrico sobre una capa inactiva".
Aunque es un paso clave en la creación de un robot, la flexión e inflexión repetidas no producen ninguna locomoción neta. "Este movimiento cíclico se debe convertir en un movimiento direccional para crear un robot que se mueva", dice el investigador. "Así que añadimos unas patas a nuestro actuador, que permiten una locomoción solamente unidireccional".
Esquema de funcionamiento de los micro-robots. Fuente: APS.
Aplicaciones
El trabajo del grupo es importante porque abre la puerta a pequeños robots capaces de moverse basándose únicamente en cambios en la humedad del medio ambiente -sin fuentes de alimentación eléctrica involucradas. Imagínense: robots funcionando en el campo, donde no hay electricidad disponible, basándose en los cambios de los niveles de humedad de la misma manera que las semillas.
Suena demasiado fácil, ¿verdad? "Hacer una bicapa para los robots no es difícil, pero hacer una rápida requiere experiencia técnica", dice Kim. El grupo también ha desarrollado un modelo matemático para encontrar el diseño óptimo para que el robot alcance la velocidad más rápida para cualquier tamaño dado.
Una de las razones por las que el grupo prevé un futuro brillante para los microrobots alimentados con cambios de humedad se debe a que estamos rodeados de cambios de humedad.
"Por lo general, tiende a haber más sequedad durante el día y más humedad en la noche -el ciclo de cambio de humedad periódico que permite a las semillas enterrarse en el suelo", dice Kim. "Los cambios de humedad ocurren incluso cuando respiramos, porque el exhalamos aire húmedo."
Algo importante para los planes futuros del grupo es que la piel humana es más húmeda que el ambiente. "Este es el gradiente de humedad principal que queremos aprovechar", señala. El equipo está explorando la posibilidad de colocar un pequeño robot directamente sobre la piel humana -que se doblaría porque cerca de la piel hay humedad.
"El concepto es que al doblarse, una parte del robot se alejará de la piel para encontrarse con el aire atmosférico seco. Cuando se seca, el robot vuelve a una posición vertical cerca de la piel", explica. A continuación, el ciclo comienza de nuevo, y el robot continúa moviéndose debido a los cambios en la humedad de la piel.
En el futuro, el objetivo del grupo es desarrollar robots médicos futuristas de sondeo capaces de funcionar en la piel humana. Gracias a la bio-inspiración de plantas, "un robot de este tipo podría hacer trabajos como la desinfección de heridas, la eliminación de arrugas de la piel y nutrir los tejidos de la piel", añade Kim.
El trabajo del grupo es importante porque abre la puerta a pequeños robots capaces de moverse basándose únicamente en cambios en la humedad del medio ambiente -sin fuentes de alimentación eléctrica involucradas. Imagínense: robots funcionando en el campo, donde no hay electricidad disponible, basándose en los cambios de los niveles de humedad de la misma manera que las semillas.
Suena demasiado fácil, ¿verdad? "Hacer una bicapa para los robots no es difícil, pero hacer una rápida requiere experiencia técnica", dice Kim. El grupo también ha desarrollado un modelo matemático para encontrar el diseño óptimo para que el robot alcance la velocidad más rápida para cualquier tamaño dado.
Una de las razones por las que el grupo prevé un futuro brillante para los microrobots alimentados con cambios de humedad se debe a que estamos rodeados de cambios de humedad.
"Por lo general, tiende a haber más sequedad durante el día y más humedad en la noche -el ciclo de cambio de humedad periódico que permite a las semillas enterrarse en el suelo", dice Kim. "Los cambios de humedad ocurren incluso cuando respiramos, porque el exhalamos aire húmedo."
Algo importante para los planes futuros del grupo es que la piel humana es más húmeda que el ambiente. "Este es el gradiente de humedad principal que queremos aprovechar", señala. El equipo está explorando la posibilidad de colocar un pequeño robot directamente sobre la piel humana -que se doblaría porque cerca de la piel hay humedad.
"El concepto es que al doblarse, una parte del robot se alejará de la piel para encontrarse con el aire atmosférico seco. Cuando se seca, el robot vuelve a una posición vertical cerca de la piel", explica. A continuación, el ciclo comienza de nuevo, y el robot continúa moviéndose debido a los cambios en la humedad de la piel.
En el futuro, el objetivo del grupo es desarrollar robots médicos futuristas de sondeo capaces de funcionar en la piel humana. Gracias a la bio-inspiración de plantas, "un robot de este tipo podría hacer trabajos como la desinfección de heridas, la eliminación de arrugas de la piel y nutrir los tejidos de la piel", añade Kim.
Referencia bibliográfica:
Beomjune Shin, Minhee Lee y Ho-Young Kim: Moisture-driven actuators inspired by motility of plants. 68th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics (2015).
Beomjune Shin, Minhee Lee y Ho-Young Kim: Moisture-driven actuators inspired by motility of plants. 68th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics (2015).