Los robots blandos utilizan materiales flexibles, como elastómeros, para interactuar de forma segura con el cuerpo humano y otros objetos y entornos delicados y desafiantes.Un equipo de investigadores de la Universidad Rice ha desarrollado un modelo analítico que puede predecir el tiempo de curado de elastómeros de silicona catalizados con platino en función de la temperatura.El modelo podría ayudar a reducir el desperdicio de energía y mejorar el rendimiento de la fabricación de componentes basados ​​en elastómeros.

"En nuestro estudio, analizamos los elastómeros como una clase de materiales que permite la robótica blanda, un campo que ha experimentado un enorme crecimiento en la última década", dijo Daniel Preston, profesor asistente de ingeniería mecánica de Rice y autor correspondiente enun estudiopublicado enInformes Celulares Ciencias Físicas.

"Si bien hay algunas investigaciones relacionadas sobre materiales como epoxis e incluso sobre varios elastómeros de silicona específicos, hasta ahora no había una descripción cuantitativa detallada de la reacción de curado de muchos de los elastómeros de silicona disponibles comercialmente que la gente está usando para fabricar robots blandos.Nuestro trabajo llena ese vacío".

Los elastómeros de silicona catalizados con platino que Preston y su equipo estudiaron generalmente comienzan como dos líquidos viscoelásticos que, cuando se mezclan, se transforman con el tiempo en un sólido gomoso.Como mezcla líquida, se pueden verter en intrincados moldes y así utilizarlos para fundir componentes complejos.El proceso de curado puede ocurrir entemperatura ambiente, pero también se puede acelerar usando calor.

Los procesos de fabricación que involucran elastómeros generalmente se han basado en estimaciones empíricas de temperatura y duración para controlar el proceso de curado.Sin embargo, este enfoque aproximado hace que sea difícil predecir cómo se comportarán los elastómeros en diferentes condiciones de curado.Tener un marco cuantitativo para determinar exactamente cómo la temperatura afecta la velocidad de curado permitirá a los fabricantes maximizar la eficiencia y reducir el desperdicio.

"Anteriormente, utilizar los modelos existentes para predecir el comportamiento de curado de los elastómeros en condiciones de temperatura variables era una tarea mucho más desafiante", dijo Te Faye Yap, estudiante de posgrado en el laboratorio de Preston y autor principal del estudio."Existe una enorme necesidad de hacer que los procesos de fabricación sean más eficientes y reducir el desperdicio, tanto en términos de consumo de energía como de materiales".

Para comprender cómo la temperatura afecta el proceso de curado, los investigadores utilizaron un reómetro (un instrumento que mide las propiedades mecánicas de líquidos y sólidos blandos) para analizar el comportamiento de curado de seis elastómeros catalizados con platino disponibles comercialmente.

"Pudimos desarrollar un modelo basado en lo que se llama la relación de Arrhenius que relaciona esta velocidad de reacción de curado con la temperatura a la que se cura el elastómero", dijo Preston."Ahora tenemos una muy buena comprensión cuantitativa de exactamente cómo la temperatura afecta la velocidad de curado".

El marco de Arrhenius, una fórmula que relaciona la velocidad de las reacciones químicas con la temperatura, se ha utilizado en diversos contextos, como el procesamiento de semiconductores y la inactivación de virus.

Preston y su grupo han utilizado el marco en algunos de sustrabajo previoy descubrió que también se aplica a reacciones de curado para materiales como epoxis, como se describe en estudios previos.En este estudio, los investigadores utilizaron el marco de Arrhenius junto con datos reológicos para desarrollar un modelo analítico que podría impactar directamente las prácticas de fabricación.

"En este trabajo, realmente probamos la reacción de curado en función de la temperatura del elastómero, pero también analizamos en profundidad las propiedades mecánicas de los elastómeros cuando se curan a temperaturas elevadas destinadas a lograr estos mayores rendimientos y velocidades de curado".dijo Preston.

Los investigadores realizaron pruebas mecánicas enelastómeromuestras que se curaron a temperatura ambiente y a temperaturas elevadas para ver si los tratamientos térmicos afectan las propiedades mecánicas de los materiales.

"Descubrimos que exponer los elastómeros a 70 grados Celsius (158 Fahrenheit) no altera las propiedades de tracción y compresión del material en comparación con los componentes que se curaron a temperatura ambiente", dijo Yap.

"Además, para demostrar el uso del curado acelerado al fabricar un dispositivo, fabricamos pinzas blandas accionadas neumáticamente en condiciones de temperatura ambiente y elevada, y no observamos ninguna diferencia en el rendimiento de las pinzas al presurizarlas".

Si bien la temperatura no parecía tener un efecto sobre la capacidad de los elastómeros para resistir la tensión mecánica, los investigadores descubrieron que sí afectaba la adhesión entre los componentes.

"Digamos que ya hemos curado algunos componentes diferentes que deben ensamblarse para formar un sistema robótico suave y completo", dijo Preston."Cuando luego intentamos adherir estos componentes entre sí, hay un impacto en la adhesión o la capacidad de unirlos. En este caso, eso se ve muy afectado por el grado de curado que se produjo antes de que intentáramos unirlos".

La investigación avanza en la comprensión científica de cómo se puede utilizar la temperatura para manipular procesos de fabricación que involucran elastómeros, lo que podría abrir el espacio del diseño de robótica blanda para aplicaciones nuevas o mejoradas.Un área clave de interés es la industria biomédica.

"Los robots quirúrgicos a menudo se benefician de ser flexibles o suaves por naturaleza porque operar dentro del cuerpo humano significa que se desea minimizar el riesgo de perforación o hematomas en tejidos u órganos", dijo Preston.

"Así que muchos de los robots que ahora operan dentro del cuerpo humano se están moviendo hacia arquitecturas más suaves y se están beneficiando de eso. Algunos investigadores también han comenzado a considerar el uso de sistemas robóticos blandos para ayudar a reposicionar a los pacientes confinados en una cama durante largos períodos de tiempo."Para intentar evitar ejercer presión sobre determinadas áreas".

Otras áreas de uso potencial para la robótica blanda son la agricultura (por ejemplo, recoger frutas o verduras que son frágiles o se dañan fácilmente), ayuda en casos de desastre (operaciones de búsqueda y rescate en áreas impactadas con acceso limitado o difícil) y la investigación (recolección omanipulación de muestras).

"Este estudio proporciona un marco que podría ampliar el espacio de diseño para la fabricación con elastómeros curados térmicamente para crear estructuras complejas que exhiban una alta elasticidad, que pueden usarse para desarrollar dispositivos médicos.amortiguadores, yrobots blandos", dijo Yap.

Las propiedades únicas de los elastómeros de silicona (biocompatibilidad, flexibilidad, resistencia térmica, absorción de impactos, aislamiento y más) seguirán siendo un activo en una variedad de industrias, y la investigación actual puede ayudar a expandir y mejorar su uso más allá de las capacidades actuales.