Al imaginarse dispositivos portátiles y robótica de próxima generación, es probable que el relleno de espuma de los cojines del sofá no sea lo primero que le venga a la mente.Sin embargo, los ingenieros de la Universidad Rice han demostrado que algo tan simple como el flujo de aire a través de la estructura aireada en forma de malla de espuma de celda abierta se puede utilizar para realizar cálculos digitales, detección analógica y control combinado digital-analógico en sistemas portátiles basados ​​en textiles blandos..

"En este trabajo, integramos la inteligencia material (la capacidad de los materiales para sentir y responder a su entorno) con una lógica impulsada por circuitos utilizando un enfoque sorprendentemente simple basado en el flujo de fluido a través de espumas suaves", dijo Daniel Preston, asistenteprofesor de ingeniería mecánica y autor correspondiente enun estudiosobre la investigación publicada enMateriales funcionales avanzados.

Los circuitos lógicos neumáticos en robots de cuerpo blando y dispositivos portátiles se han diseñado tradicionalmente de manera que reflejan los circuitos electrónicos, es decir, uniendo componentes individuales como resistencias, condensadores, diodos y compuertas a través de elementos de conexión.Estas arquitecturas convencionales se basan en puertas lógicas interconectadas: componentes básicos de los sistemas digitales que convierten una o más de una entrada en una única salida.

Entrabajo anterior, el Laboratorio de Innovación de Preston desarrolló un método para el control sin electrónica de dispositivos textiles portátiles utilizando circuitos lógicos neumáticos.Sin embargo, este enfoque inicial no se basó en las propiedades intrínsecas de los materiales blandos para maximizar la eficiencia del diseño del circuito.

"Cuanto más compleja sea una tarea u operación, mayor será el número de puertas lógicas que normalmente se requieren", explicó Preston.

En las aplicaciones, esto podría traducirse en dispositivos más pesados, más caros, más difíciles de fabricar y más susceptibles a fallar.Para evitar el problema, los investigadores descubrieron cómo utilizar las diferencias de presión creadas por el aire que fluye a través de los poros microscópicos de las láminas de espuma para realizar cálculos neumáticos complejos y controlar tareas con una mayor economía de diseño de circuitos.

"Aquí, mostramos que las propiedades de los materiales blandos en sí, como la esponjosidad o la porosidad de las láminas de espuma, se pueden aprovechar para lograr tareas de control de fluidos, como detectar la cantidad de fuerza aplicada por un usuario o convertir señales de presión digitales enseñales analógicas, reduciendo así la dependencia de los fluidospuertas lógicasy simplificar la operación", afirmó Anoop Rajappan, autor principal del estudio e investigador científico de Rice durante el transcurso del proyecto.

A diferencia de los líquidos, la densidad del aire cambia con la presión, lo que hace que el modelado del flujo de aire a través de láminas de espuma sea más complejo.No obstante, los investigadores abordaron el desafío de frente.

"Desarrollamos un marco teórico para analizar el flujo de gas a través de materiales porosos, creamos nuevas técnicas experimentales para medir las propiedades fluídicas de la espuma y finalmente generamos un modelo para el cambio en la resistencia fluídica de la espuma con la fuerza aplicada", dijo Rajappan.

Los investigadores diseñaron resistencias fluídicas a base de espuma, dispositivos que restringen el flujo de aire en circuitos neumáticos, de forma muy similar a cómo las resistencias electrónicas limitan el flujo de corriente en los circuitos neumáticos.circuitos electronicos.Las resistencias se pueden utilizar para crear circuitos lógicos neumáticos bidimensionales que se pueden integrar en dispositivos portátiles textiles.

"Al rediseñar los componentes del circuito, como las resistencias, para aprovechar las propiedades fluidas de los materiales blandos como la espuma, podemos construir robots blandos confiables y aerodinámicos yusabledispositivos impulsados ​​por sistemas neumáticos que dependen menos de componentes pesados, voluminosos o rígidos, como motores y baterías", dijo Rajappan.

"Los dispositivos robóticos portátiles podrían, por ejemplo, brindar asistencia a usuarios con limitaciones de movilidad, y construir dispositivos portátiles a partir de textiles y alimentarlos con aire comprimido puede hacerlos cómodos, livianos, de bajo costo y discretos para el usuario".

Además de Preston y Rajappan, otros autores del estudio incluyen a Zhen Liu, Faye Yap y Rawand Rasheed.Rajappan, Liu y Yap han aceptado ofertas para puestos de profesores asistentes titulares en la Universidad de Tulane, la Universidad de Texas en Dallas y la Universidad de Hawaii, respectivamente.Rasheed es director ejecutivo de Helix Earth Technologies, una startup nacida del laboratorio de Preston.