GelBot: un nuevo proceso de impresión 3D para abordar la sostenibilidad en robots blandos

GelBot: un nuevo proceso de impresión 3D para abordar la sostenibilidad en robots blandos

  • Robotica
  • mayo 6, 2022
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Jarrón impreso en 3D deformado por el toque de un dedo humano.

Las futuras generaciones de robots funcionarán de manera muy diferente a los que hoy en día ensamblan vehículos completos en edificios de fábricas o sueldan componentes electrónicos en placas de circuitos impresos a la velocidad del rayo. Abandonan la planta de producción y comienzan a trabajar con personas, poniendo herramientas en sus manos en el momento adecuado o ayudándolas a ensamblar componentes pesados. Aparecerás en la agricultura y ayudarás a cosechar los campos o procesar los frutos. Y se encontrarán cada vez más en las salas de estar, allí para apoyar y entretener a las personas, o simplemente para que se sientan menos solos.

Por supuesto, estos robots también se verán diferentes a los gigantescos artilugios metálicos que se encuentran en las plantas industriales de hoy. Su apariencia cambiará junto con sus nuevas características. Cuando están en contacto con los humanos, son gentiles y suaves, por lo que no lastiman a nadie, y «suave» aquí en realidad significa que están hechos de materiales flexibles; que su superficie es elástica, flexible y estirable. Al mismo tiempo, por supuesto, están equipados con un completo sistema de sensores que registra inmediatamente cada toque y cada acercamiento para poder reaccionar adecuadamente. Hoy en día, el desarrollo de esta electrónica blanda y robótica se basa principalmente en materiales sintéticos como los elastómeros de silicona, un caucho con muy buenas propiedades elásticas pero de origen fósil. Esto también significa que si los robots blandos se vuelven tan ubicuos como lo son los teléfonos inteligentes hoy en día, el desperdicio tecnológico volverá a aumentar significativamente. Esto plantea la pregunta: ¿dónde están las alternativas biodegradables? Y si existen, ¿cómo podemos construir robots verdaderamente poderosos que se muevan, sientan y reaccionen a su entorno?

Martin Kaltenbrunner, jefe del Laboratorio de Materiales Blandos de la Universidad Johannes Kepler en Linz, Austria, está investigando alternativas sostenibles para nuestras tecnologías futuras. Su equipo se centra en tecnologías que conectan el cuerpo humano y, por lo tanto, son igualmente suaves y adaptables. La electrónica portátil, las fuentes de alimentación extensibles y los robots biomiméticos son solo algunos ejemplos. Y al abordar la sustentabilidad, su equipo agrega un nuevo giro a estas tecnologías blandas.

El avance científico se produjo en 2020, cuando Kaltenbrunner y su equipo descubrieron una forma económica de hacer geles biodegradables (biogeles) extremadamente fuertes y duraderos, pero que aún así desaparecen cuando se desechan. Basado en la abundante gelatina de biopolímero, su material tenía propiedades y rendimiento similares a los cauchos de silicona no degradables, allanando el camino para su uso en robots blandos.

Ahora, los estudiantes de doctorado Andreas Heiden y David Preninger han construido un sistema para imprimir en 3D este biogel en formas complejas. Han impreso robots con forma de dedos que utilizan intrincadas redes de sensores para detectar su propia deformación, así como los objetos en su entorno. Junto con Florian Hartmann, ingeniero de materiales de la EPFL, han publicado su investigación en la reconocida revista Science Robotics.

La naturaleza como fuente de inspiración

La robótica blanda aprovecha en gran medida la naturaleza como fuente de inspiración e introduce medios innatos de interacción segura entre los dispositivos robóticos y los organismos vivos. Kaltenbrunner pronto se dio cuenta de que, a pesar de que la robótica blanda se inspiraba en gran medida en la naturaleza, faltaba un «rasgo» inherente a las creaciones de la naturaleza: la biodegradabilidad. Cuando un robot blando ha llegado al final de su vida útil, a menudo no hay una manera fácil de reciclar sus componentes o de tratar los residuos de forma respetuosa con el medio ambiente.

La introducción de materiales biodegradables en la robótica blanda parece la solución lógica, pero los materiales existentes simplemente no eran lo suficientemente duraderos o difíciles de procesar. Kaltenbrunner y su equipo se esforzaron por desarrollar materiales bioderivados, como geles basados ​​en la gelatina de biopolímeros, que pueden igualar el rendimiento de los elastómeros sintéticos tradicionales, pero se degradan por completo después de su uso previsto, sin dejar prácticamente ningún rastro de su existencia. Hace aproximadamente dos años, publicado en la revista Nature Materials, optimizaron dichos geles para su uso en electrónica de la piel y robots blandos. Basado en materiales naturales como bloques de construcción degradables que son duraderos, es un biogel a base de gelatina ampliamente aplicable que combina los exigentes requisitos de los robots resistentes pero sostenibles (blandos) en una sola plataforma. Es muy elástico y elástico – y su termoplástico. Una propiedad que permite que el material se derrita cuando se calienta, lo que lo hace perfecto para la impresión 3D.

Formas complejas a través de la impresión 3D

La estructura deformable de los robots blandos presenta desafíos de fabricación y montaje. A diferencia de los robots convencionales, que se atornillan a partir de piezas individuales, los robots blandos se fabrican como bloques monolíticos. En este sentido, la impresión 3D es una estrategia de fabricación versátil que también se puede utilizar para producir objetos complejos. Heiden y Preninger diseñaron un sistema personalizado basado en el modelado por deposición fundida (FDM) para imprimir su biogel. Uno de los procesos de impresión 3D más comunes en la actualidad, FDM se basa en la fusión de polímeros fundidos que se solidifican nuevamente al enfriarse. Para imprimir el biogel, el material se funde en una jeringa médica y se fuerza a través de la punta, lo que da como resultado la deposición de un «hilo» de biogel que se solidifica rápidamente después de la extrusión. De esta manera, varias capas bidimensionales se dibujan una encima de la otra para formar el objeto tridimensional.

Cubo de calibración XYZ y modelo de osito de goma impreso en tinta a base de gelatina Biogel.

Pero, ¿qué sucede cuando falla una impresión? Normalmente tiraría su copia impresa y comenzaría de nuevo. Con una solución biodegradable, ni siquiera tiene que preocuparse por la producción de residuos. Junto con este enfoque de fabricación ecológica que utiliza materiales biodegradables, hemos introducido un ciclo de reutilización adicional en el que el biogel se reimprime hasta 5 veces, conservando más del 70 % de las métricas de rendimiento originales. Aprovechar estos enfoques de economía circular permitirá soluciones más sostenibles para materiales que son menos degradables.

Actuadores omnidireccionales con percepción

Al extender la producción de geles biodegradables a la impresión 3D, los investigadores pudieron crear actuadores blandos versátiles en varias formas complejas e incluso integrar redes de sensores integrados para hacerlos interactuar con su entorno. En su artículo de Science Robotics, demostraron un actuador similar a un dedo impulsado por aire comprimido que puede doblarse en cualquier dirección, como la trompa de un elefante o el tentáculo de un pulpo. Una combinación de tres cámaras inflables dentro del actuador y el uso de un refuerzo textil de algodón hacen posible este movimiento.

Actuador de 3 cámaras totalmente accionado con red de sensores integrada que detecta el contacto con los dedos humanos.

Además, el actuador dispone de una red de sensores distribuidos basada en la transmisión de luz a través de materiales transparentes. Estos sensores obtienen información sobre el propio estado de flexión del actuador, pero también sobre el impacto en los objetos de su entorno. Sin tener ojos, este robot es capaz de reconocer un obstáculo y eliminarlo de su entorno. La función de este único elemento robótico demuestra que tanto el movimiento como la detección se pueden lograr con materiales sostenibles y soluciones de fabricación sin hacer grandes concesiones en el rendimiento. Y si ya no se pueden utilizar, simplemente se pueden desechar. La inmersión en agua provoca el hinchamiento y la disolución del biogel y, en presencia de enzimas, la degradación completa.

Etiquetas: c-investigación innovación


Martin Kaltenbrunner es profesor titular en la Universidad Johannes Kepler de Linz y dirige el departamento de Física de Materia Blanda y el Laboratorio de Materiales Blandos de LIT.

Martin Kaltenbrunner es profesor titular en la Universidad Johannes Kepler de Linz y dirige el departamento de Física de Materia Blanda y el Laboratorio de Materiales Blandos de LIT.


Florian Hartmann es un postdoctorado en el Laboratorio de transductores blandos de la EPFL.

Florian Hartmann es un postdoctorado en el Laboratorio de transductores blandos de la EPFL.


Andreas Heiden es un Ph.D. Estudiante en la cátedra de Física de la Materia Blanda y en el Laboratorio de Materiales Blandos LIT de la Universidad Johannes Kepler de Linz.

Andreas Heiden es un Ph.D. Estudiante en la cátedra de Física de la Materia Blanda y en el Laboratorio de Materiales Blandos LIT de la Universidad Johannes Kepler de Linz.


David Preninger es un Ph.D. Estudiante en la cátedra de Física de la Materia Blanda y en el Laboratorio de Materiales Blandos LIT de la Universidad Johannes Kepler de Linz.

David Preninger es un Ph.D. Estudiante en la cátedra de Física de la Materia Blanda y en el Laboratorio de Materiales Blandos LIT de la Universidad Johannes Kepler de Linz.

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