Inspirándose en la forma en que funciona la piel de los brazos del pulpo, los investigadores de Virginia Tech en los EE. UU. han desarrollado un nuevo adhesivo que se cambia rápidamente y se adhiere de forma segura a los objetos bajo el agua. El material podría encontrar uso en robótica, atención médica y en la fabricación para ensamblar y manipular objetos húmedos.
Los adhesivos que funcionan bajo el agua son difíciles de fabricar. Esto se debe a que los enlaces de hidrógeno y las fuerzas electrostáticas y de van der Waals que median la adhesión en ambientes secos son mucho menos efectivos en el agua. El mundo animal, sin embargo, contiene muchos ejemplos de fuerte adhesión en condiciones húmedas: los mejillones secretan proteínas adhesivas especiales, creando una placa pegajosa que se adhiere a las superficies mojadas; las ranas canalizan fluidos a través de almohadillas estructuradas para los dedos de los pies para activar las fuerzas capilares e hidrodinámicas; y los cefalópodos como el pulpo usan ventosas para adherirse a las superficies mediante succión.
Unión adhesiva fuerte
Las pinzas de cefalópodo son particularmente buenas para sostener cosas bajo el agua. Los pulpos, por ejemplo, tienen ocho largos brazos cubiertos de ventosas que pueden agarrar objetos como presas. Con la forma del extremo de un desatascador de plomero, las ventosas se adhieren a un objeto y crean rápidamente una fuerte unión adhesiva que es difícil de romper. “La adhesión se puede activar y liberar rápidamente”, explica el líder del equipo de estudio. Michael Bartlett, “y el pulpo controla más de 2000 ventosas en ocho brazos mediante el procesamiento de información de diversos sensores químicos y mecánicos”.
De hecho, el aparato sensor de un pulpo consiste en un sistema de fotorrecepción que usa sus ojos; mecanorreceptores que detectan el flujo de fluidos, la presión y el contacto; y sensores táctiles de quimiorrecepción. Cada ventosa se controla de forma independiente para activar o liberar la adhesión, algo que no existe en los adhesivos sintéticos.
El nuevo adhesivo inspirado en el pulpo de Virginia Tech consta de un tallo de elastómero de silicona cubierto con una membrana de elastómero elástica accionada neumáticamente para controlar la adhesión. El tallo se fabrica mediante moldes de impresión 3D y luego se moldea y cura el elastómero de silicona. El elemento adhesivo está conectado a una fuente de presión que suministra presión positiva, neutra y negativa para controlar la forma de la membrana activa.
“Este diseño nos permite cambiar la adhesión 450 veces del estado activado al desactivado en menos de 50 ms”, dice Bartlett. "Integramos estrechamente estos elementos adhesivos con una serie de sensores ópticos de proximidad micro-LIDAR que detectan qué tan cerca está un objeto".
Luego, los investigadores conectaron las ventosas y LIDAR a través de un microcontrolador para la detección de objetos en tiempo real y el control de adhesión.
Guante con ventosas sintéticas y sensores
Bajo el agua, un pulpo enrolla sus brazos alrededor de los objetos y puede adherirse a una variedad de superficies, incluidas rocas, caparazones lisos y percebes ásperos usando sus ventosas. Bartlett y sus colegas imitaron esto al hacer un guante con ventosas sintéticas y sensores estrechamente integrados. Este dispositivo, denominado Octa-glove, puede detectar objetos de diferentes formas bajo el agua. Esto activa automáticamente el adhesivo para que el objeto pueda ser manipulado.
“Al fusionar materiales adhesivos suaves y receptivos con componentes electrónicos integrados, podemos agarrar objetos sin tener que apretarlos”, dijo Bartlett. “Hace que el manejo de objetos húmedos o bajo el agua sea mucho más fácil y natural. La electrónica puede activar y liberar la adhesión rápidamente. Simplemente mueva su mano hacia un objeto, y el guante hace el trabajo de agarrarlo. Todo se puede hacer sin que el usuario presione un solo botón”.
Estas capacidades, que imitan la manipulación, detección y control avanzados de los cefalópodos, podrían encontrar aplicaciones en el campo de la robótica blanda para el agarre bajo el agua, aplicaciones en tecnologías asistidas por el usuario y atención médica, y en la fabricación para ensamblar y manipular objetos húmedos, dice. Mundo de la física.
Varios modos de agarre
Adhesivo inspirado en pulpo podría curar heridas
En sus experimentos, los investigadores probaron varios modos de agarre. Usaron un solo sensor para manipular objetos delicados y livianos y descubrieron que podían levantar y soltar rápidamente objetos planos, juguetes de metal, cilindros, una cuchara y una bola de hidrogel ultrasuave. Luego, al reconfigurar los sensores para que se activaran múltiples sensores, podrían agarrar objetos más grandes como un plato, una caja y un tazón.
El equipo de Virginia Tech, informando sobre su trabajo en Science Advances, dice que aún queda mucho por aprender, tanto sobre cómo el pulpo controla la adherencia como cómo manipula los objetos bajo el agua. "Si podemos comprender mejor el sistema natural, esto permitirá crear sistemas de ingeniería bioinspirados más avanzados", dice Bartlett.
