En unos años serán parte de nuestras vidas, realizarán tareas cotidianas como cargar con la compra o cocinar; esta es la promesa de la industria que hoy está focalizada en desarrollar robots humanoides. Aparte de ofrecer un mayordomo robótica para los hogares, las innovaciones relacionadas con estas máquinas pueden también aplicarse en otras mejoras para los humanos.
Este es el caso del tejido creado por investigadores del Laboratorio de Transductores Suaves (LMTS) de la Escuela de Ingeniería de la EPFL en Suiza. "Si bien los textiles tradicionalmente sirven únicamente como vestimenta pasiva, la transición a telas que funcionan como actuadores potentes permite una nueva clase de robótica portátil cómoda, discreta y práctica que brinda apoyo para las actividades diarias”, afirma Herbert Shea, director del LMTS.
Su proyecto pretende dar respuesta a esta necesidad de la industria con este último trabajo. Han desarrollado una tela o actuador textil con fibras de aleación que tiene memoria (SMA). Las pruebas publicadas en Science Advances muestran que esta innovación se puede aplicar en robots así como en prendas de vestir pensadas para tratamientos médicos o asistencia deportiva.
Cruce en X
Los responsables de este proyecto se han replanteado cómo entrelazar finos hilos metálicos (fabricados con una aleación de níquel-titanio) dentro de un tejido flexible. El resultado es una tela ligera capaz de levantar un kilogramo con solo 4,5 gramos de material, es decir, puede levantar más de 400 veces su masa.
El reto reside en la combinación de fuerza con elasticidad y adaptabilidad en distintas prendas. Esta fuerza se consigue al contraer a la mitad la pieza de tela.
En tejidos de punto o nudos estándar, las fibras se entrelazan en diferentes direcciones. Al contraerse, sus fuerzas suelen atraerse entre sí, anulándose parcialmente, recuerda el equipo de investigación.
Este efecto indeseado se evita al coser las fibras entrelazadas en un patrón periódico denominado arquitectura X-Crossing. Así, se acortan y endurecen al calentarse mediante una corriente eléctrica.
Diseño en X comparado con otro tipo de lazada
La geometría de cruce en X, como se puede apreciar en las ilustraciones, consiste en pequeños rombos entrelazados. Cada cruce de fibras se alinea con precisión en la dirección del movimiento que se desea conseguir.
“Nos dimos cuenta de que la orientación de los cruces de fibras desempeña un papel fundamental en la suma de fuerzas dentro de un actuador textil”, explica Huapeng Zhang, estudiante de doctorado de LMTS y primer autor.
Alineando los cruces, explican, se garantiza que las fuerzas que se generan en cada intersección contribuyan al conjunto en vez de contraponerse, dando lugar a "un actuador textil que supera significativamente los diseños anteriores de punto o anudado”.
A diferencia de la arquitectura tricotada, donde las fibras forman bucles y cada par de cruces forma ángulos obtusos, o en el caso de las arquitecturas anudadas, donde la dirección de algunos cruces de fibras difiere en un ángulo de aproximadamente 90°, la arquitectura de cruce en X garantiza que todos los cruces de fibras sean prácticamente paralelos de forma que se alinea la fuerza generada en cada cruce con el eje de contracción.
Levantando peso
Para demostrar el potencial de esta nueva tela robótica, el equipo de investigadores puso a prueba su actuador X-Crossing en dos prototipos funcionales, dos dispositivos portátiles. El primero se coloca en el brazo de un maniquí como un brazalete o parte de la manga de una camisa. El actuador sirve para conseguir que el maniquí doble el codo.
En esta prueba el muñeco con el actuador fue capaz de levantar una bolsa de un kilogramo y con un rango de movimiento de 30 grados. El movimiento se produjo de forma suave y controlada.
Muestra de la prueba con brazo robótico
En su segunda demostración el actuador se utilizó en una prueba de compresión corporal, lo que podría aplicarse en mangas médicas o equipos deportivos. La malla SMA X-Crossing se encapsuló en una tela roja y envolvió alrededor de un análogo suave hecho de esponja.
También se colocó un termistor y un sensor de presión debajo del actuador para medir simultáneamente la temperatura y la presión. Al suministrar una potencia de 50 y 16 W, la presión aumentó a 12 y 8 kPa, respectivamente.
Una vez que se eliminó la energía, la presión disminuyó y alcanzó una presión residual de 5 y 3,6 kPa. Durante la operación, la temperatura en el exterior del actuador encapsulado se mantuvo de forma segura por debajo de 45 °C.
Defienden los investigadores que este tipo de actuadores son una forma prometedora de proporcionar compresión portátil para terapias médicas o para uso aeroespacial, superando las limitaciones de las prendas de compresión elástica pasiva.
Inventos como este, aunque parece un grano de arena en una industria tan grande, contribuyen a máquinas cada vez más capaces y similares a los humanos, además de ser el fruto de futuros dispositivos médicos adaptables a cada paciente.