Un metamaterial flexible y mecánico que puede «pensar» ofrece el potencial de útiles máquinas «vivas» en el futuro.
Los nuevos metamateriales mecánicos blandos pueden «pensar» en cómo se aplican las fuerzas y reaccionan mediante reacciones preprogramadas. Crédito: Elizabeth Flores-Gomez Murray / Penn State
El nuevo metamaterial flexible y receptivo ofrece potencial para una amplia variedad de beneficios sociales.
Las máquinas diseñadas y autónomas combinadas con inteligencia artificial han sido durante mucho tiempo un elemento básico de la ciencia ficción y, a menudo, como villanos como los Cylons en el reinicio de «Battlestar Galactica», criaturas compuestas de materiales biológicos e ingeniería. Pero, ¿y si estas máquinas de software independientes fueran … útiles?
Esta es la visión de un equipo de investigadores de Penn State y la Fuerza Aérea de EE. UU., Expuesta en un artículo reciente de Comunicaciones de la naturaleza. Estos investigadores han producido un metamaterial mecánico flexible que puede «pensar» en cómo se le aplican las fuerzas y reaccionar a través de reacciones programadas. Esta plataforma tiene un gran potencial para una variedad de aplicaciones que van desde tratamientos médicos hasta la mejora del medio ambiente.
«Hemos creado metamateriales mecánicos flexibles con redes de polímeros conductores flexibles capaces de realizar todos los cálculos lógicos numéricos», dijo Ryan Harne, profesor asociado de desarrollo profesional de James F. Will, Penn State. “Nuestro artículo describe una forma de crear una funcionalidad de toma de decisiones en materiales de ingeniería de una manera que podría respaldar los futuros sistemas de ingeniería flexibles y autónomos que se invierten con los componentes básicos de las formas de vida, pero que están programados para brindar servicios útiles a las personas. Estos podrían incluir el mantenimiento de una infraestructura robusta y duradera, el monitoreo de contaminantes y patógenos transmitidos por el aire y el agua, la asistencia en la curación del paciente y más.
Los procesos de pensamiento humano se basan en la lógica, señala Harne, que es similar a la lógica booleana en matemáticas. Este enfoque usa entradas binarias para procesar salidas de control binarias, usando solo secuencias de «encendido» y «apagado» para representar todo el pensamiento y la cognición. Los materiales flexibles que creó el equipo de investigación “piensan” mediante la reconfiguración de redes de polímeros conductores. La fuerza mecánica, aplicada a los materiales, conecta y vuelve a conectar la red.
Utilizando una entrada de bajo voltaje en los materiales, el equipo de investigación creó una forma para que el material flexible decida cómo reaccionar en función de la señal de voltaje de salida de la red de polímero conductor reconfigurada.
El tipo de lógica que utilizan Harne y su equipo va más allá de la lógica mecánica pura, que implica el uso de combinaciones de interruptores flip-flop (interruptores con dos estados estables) para representar los «0» y «1» en una secuencia de números binarios. Descubrieron que cuando usaban lógica mecánica pura, los investigadores terminaban atascados porque no se podían construir ciertas operaciones lógicas.
«Ha llegado a un punto en el que no puede procesar las ocho puertas lógicas», dijo Harne. “Puede procesar cuatro, pero no puede procesar los últimos cuatro. Hemos descubierto una forma de incorporar señales eléctricas con señales mecánicas, lo que nos permite procesar todas las puertas lógicas utilizadas en la informática digital moderna.
La clave para lograr todas las puertas lógicas estaba en la combinación de la red eléctrica polimérica con el material flexible y deformable. Los investigadores crearon las operaciones lógicas reconfigurando simultáneamente el material flexible y la red conductora de electricidad.
También asegura que la salida binaria esté en forma de electricidad, que es necesaria para impulsar un mecanismo de actuación que hace que el material responda a la fuerza mecánica aplicada. La combinación de señales eléctricas y mecánicas permite que la máquina se mueva para alejarse o retroceder en una determinada dirección.
Harne y el equipo quieren ir más allá de un solo material y diseñar algo más complejo.
“Tengo una visión de cómo los científicos e ingenieros pueden crear sistemas de vida técnicos que ayuden a la sociedad”, dijo Harne. “Todo lo que tienes que hacer es reunir todas las funciones de las formas de vida. Y cuando lo hace, tiene los componentes básicos de la vida técnica a su disposición. «
Si bien todo esto suena a ciencia ficción, Harne cree que tiene un potencial enorme.
“Es un poco de ciencia ficción, tengo que admitirlo, y diré que he tenido colegas que piensan que estoy un poco loco”, dijo Harne. «Pero si, como ingenieros y científicos, entendemos todas las cosas que componen la vida, ¿por qué no intentamos crear seres vivos diseñados que puedan ayudar a las personas?»
Referencia: «Puertas lógicas digitales en metamateriales mecánicos flexibles y conductores» por Charles El Helou, Philip R. Buskohl, Christopher E. Tabor y Ryan L. Harne, 12 de marzo de 2021, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41467-021-21920-y
Junto con Harne, otros autores del estudio de Penn State incluyen a Charles El Helou, estudiante de doctorado en ingeniería mecánica y el laboratorio de investigación de la Fuerza Aérea de EE. UU., Philip Buskohl y Christopher Tabor.
El Premio al Desarrollo Profesional de la Fundación Nacional de Ciencias de Harne y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos financiaron esta investigación.
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