Con el deslizamiento de un imán, “magno-bots” microscópicos realizan maniobras complejas

Por el contrario, el nuevo material del equipo del MIT se puede convertir en estructuras más complicadas y deformables con una precisión de escala micrométrica. Estas características podrían permitir que un milibot magnético mueva características individuales y realice maniobras más complejas.

“Ahora podemos crear una arquitectura 3D suave e intrincada con componentes que pueden moverse y deformarse de formas complejas dentro de la misma estructura microscópica”, dijo el autor del estudio Carlos Portela, profesor asociado de ingeniería mecánica de desarrollo profesional Robert N. Noyce en el MIT. “Para la robótica blanda microscópica, o la materia que responde a estímulos, esto podría ser una capacidad revolucionaria”.

Los coautores del estudio del MIT incluyen a los estudiantes graduados Rachel Sun y Andrew Chen, junto con Yiming Ji y Daryl Yee de EPFL y Eric Stewart de la Universidad de Cincinnati.

En un instante

En el MIT, el grupo de Portela ha desarrollado nuevos metamateriales: materiales fabricados con arquitecturas microscópicas únicas que confieren a los materiales propiedades más allá de lo normal. Portela ha fabricado una variedad de estos metamateriales, incluidas arquitecturas y diseños extremadamente duros que pueden manipular el sonido y resistir impactos violentos.

Recientemente, ha ampliado su investigación a materiales “programables”, que pueden diseñarse para cambiar sus propiedades en respuesta a estímulos, como ciertos químicos, luz y campos eléctricos y magnéticos.

Desde la perspectiva del equipo, los estímulos magnéticos destacan del resto.

“Con un material que responde magnéticamente, tenemos control a distancia y la respuesta es instantánea”, dijo el coautor principal Andrew Chen. “No necesitamos esperar una reacción química lenta o un proceso físico, y podemos manipular el material sin tocarlo”.

Para el nuevo estudio, el equipo se propuso crear un metamaterial magnéticamente sensible que pueda convertirse en estructuras de menos de un milímetro. Normalmente, los investigadores fabrican microestructuras utilizando litografía de dos fotones, una técnica de impresión 3D de alta resolución que dispara un láser a un pequeño charco de resina. Con destellos repetidos, el láser dibuja un patrón microscópico en la resina, que se solidifica en el mismo patrón y, en última instancia, crea una estructura tridimensional, capa por capa.

Si bien la impresión de resina 3D produce microestructuras intrincadas, utilizar el mismo proceso para imprimir estructuras magnéticas ha sido un desafío. Los investigadores intentaron combinar la resina con nanopartículas magnéticas antes de imprimir la mezcla. Pero las partículas magnéticas son esencialmente pequeños trozos de metal que naturalmente dispersan la luz o se aglomeran con sedimentos involuntarios. Los científicos han descubierto que cualquier partícula magnética en la resina puede reducir la potencia del láser en un lugar determinado y debilitar la estructura resultante o impedir por completo su impresión.

“Imprimir directamente estructuras deformables en 3D a escala micrométrica con una alta fracción de partículas magnéticas es muy difícil, y a menudo implica un compromiso entre la funcionalidad magnética y la integridad estructural”, dice Sun, coautor principal del trabajo.

Una impresión de doble inmersión

Los investigadores han creado una nueva forma de fabricar microestructuras magnéticas combinando la impresión de resina 3D con un proceso de doble inmersión. Los investigadores primero aplicaron la impresión de resina convencional para crear una microestructura utilizando un gel polimérico típico, sin partículas magnéticas añadidas. Luego sumergen el gel impreso en una solución que contiene iones de hierro, que el gel puede absorber. Luego, la estructura empapada se vuelve a empapar en una segunda solución de iones de hidróxido. Los iones de hierro en el gel se unen a los iones de hidróxido, creando nanopartículas de óxido de hierro naturalmente magnéticas.

Con este nuevo proceso, el equipo puede imprimir estructuras intrincadas de menos de un milímetro y agregar propiedades magnéticas a las estructuras después de la impresión. Además, pueden controlar cuán magnéticas pueden ser las características individuales de una estructura. Descubrieron que, al ajustar la potencia del láser mientras imprimían ciertas características, podían establecer qué tan bien se uniría o “apretaría” el gel cuando se imprimiera. Cuanto más denso es el gel, menos partículas magnéticas puede formar. De esta manera, los investigadores pueden determinar cómo cada pequeña característica puede ser magnética.

“Esto proporciona una libertad de diseño sin precedentes para imprimir estructuras y materiales multifuncionales a microescala”, afirma Sun.

Como demostración, el equipo fabricó estructuras de bolas y palos que se asemejan a pequeñas paletas. Las estructuras tenían menos de un milímetro de altura y las bolas eran más pequeñas que un grano de arena. Los investigadores imprimieron las piruletas a partir de gel polimérico e infundieron en cada bola diferentes cantidades de partículas magnéticas, dándoles distintos grados de magnetismo. Bajo un microscopio, observaron que cuando se pasaba un imán de refrigerador común sobre las estructuras, las piruletas eran atraídas hacia el imán en diversos grados, en una configuración que imitaba los dedos con agarre.

“Se podría imaginar que una arquitectura magnética como esta podría actuar como un pequeño robot que se podría guiar dentro del cuerpo con un imán externo y que podría sujetarse a algo, por ejemplo para hacer una biopsia”, dice Portela. “Esa es una visión que otros pueden adoptar en este trabajo”.

El equipo también fabricó un interruptor “biestable” con respuesta magnética. Primero imprimieron un rectángulo de gel polimérico de un milímetro de largo y colocaron a cada lado cuatro pequeñas estructuras magnéticas similares a remos. Cada remo medía aproximadamente 8 micrones de espesor, aproximadamente el tamaño de un glóbulo rojo. Cuando el equipo aplicó un imán a un extremo del rectángulo, los remos se voltearon en la dirección del imán, tirando del rectángulo en la misma dirección y fijándolo en esa posición. Cuando se aplica el imán al otro lado, los remos se invierten nuevamente, tirando del rectángulo, como un interruptor, en la dirección opuesta.

“Creemos que se trata de un nuevo tipo de mecanismo biestable que podría usarse, por ejemplo, en un dispositivo de microfluidos, como una válvula magnética para abrir o cerrar algún flujo”, dice Portela. “Por ahora, hemos descubierto cómo fabricar arquitecturas magnéticas complejas a microescala y también organizar espacialmente sus propiedades. Esto abre muchas ideas interesantes para los robots blandos en miniatura en el futuro”.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Fundación Nacional de Ciencias y el programa de subvenciones MathWorks.

Este trabajo se realizó, en parte, en las instalaciones de fabricación y caracterización de MIT.nano.