banner
Centro de Noticias
Amplia experiencia en la gestión de la cadena de suministro.

Tres toman los materiales del mañana

Mar 24, 2023

Mire dentro de los laboratorios de tres investigadores del MIT cuyo trabajo podría cambiar la forma en que los ingenieros diseñan y construyen. Dos están inventando nuevos materiales y uno está desarrollando formas de actualizar el aspecto de los materiales para que puedan actualizarse en lugar de reemplazarse. La ingeniería puede que nunca sea la misma.

Las células musculares diseñadas por Ritu Raman se contraen en respuesta a la luz y podrían dar lugar a robots de base biológica que se adapten a su entorno o se reparen después de un accidente.

Ritu Raman se frota las manos enguantadas con etanol y mete la mano en una incubadora del tamaño de una mini-nevera para sacar una bandeja de placas de Petri. Los platos contienen andamios impresos en 3D translúcidos en forma de U. Y sobre estos esqueletos de polímero están creciendo pequeñas bandas rosadas de células musculares.

Se dirige a la habitación de al lado, donde se puede colocar una luz de fibra óptica sobre los platos, que emite pulsos de luz azul demasiado brillantes para mirar sin gafas de seguridad. Raman explica que las células, que provienen de una línea derivada originalmente de ratones, están diseñadas por bioingeniería para contraerse bajo ese brillo; la luz pulsante actúa como un entrenador personal, haciendo que se ejerciten. "Viven allá y luego vienen aquí para ir al gimnasio", bromea.

En las últimas dos décadas, los ingenieros han estado experimentando con materiales biológicos porque el diseño biohíbrido tiene una clara ventaja sobre la construcción con plástico o acero: las células vivas pueden crecer, cambiar y adaptarse. Raman, quien es profesor asistente de desarrollo profesional Brit (1961) y Alex (1949) d'Arbeloff en ingeniería mecánica, dirige un laboratorio centrado en la creación de materiales biológicos adaptativos que aprovechan la capacidad de las células para detectar, procesar y responder a sus medio ambiente. Al medir cómo la actividad inducida por la luz afecta a sus células modificadas genéticamente, Raman puede tener una mejor idea de cómo los robots biohíbridos algún día podrían adaptarse a un terreno desconocido.

"Hay muchas cosas que pueden cambiar cuando haces ejercicio", dice ella. Ciertos tipos de fibras musculares, por ejemplo, solo pueden transportar pequeñas cargas, pero pueden hacerlo durante mucho tiempo; otros pueden manejar una fuerza mucho mayor pero se cansan fácilmente. Las fibras musculares que se fortalecen dependen del tipo de ejercicio que realiza el músculo. Raman imagina un robot biohíbrido destinado a operar de forma remota, alimentado por una "batería" de azúcar y aminoácidos, que podría diseñarse para desarrollar los músculos adecuados para el trabajo en cuestión e incluso repararse a sí mismo mediante la regeneración de las partes dañadas en un choque o caída.

"Si quisiera que un robot cruzara la habitación, que es un entorno relativamente controlado con una temperatura constante y todo lo demás, podría construir un robot normal a bajo costo", dice. "Pero en un entorno dinámico e impredecible, es posible que no sepa qué tan fuerte debe ser o qué peligros podría estar presente. Si se lastima, no podré ir a curarlo, por lo que debe poder para recuperarse y adaptarse".

Raman creció en India, Kenia y los EE. UU., hija de un ingeniero químico y un ingeniero mecánico. Mientras sus padres trabajaban para resolver problemas del mundo real, ella vio los beneficios inmediatos que podía traer la ingeniería; recuerda haber visto a su padre instalar torres de comunicación en pueblos rurales. Como estudiante de ingeniería mecánica en Cornell, tomó un curso de biomecánica al azar y se enganchó de inmediato. "Fue el primer libro de texto que realmente disfruté leyendo en toda mi vida", dice ella.

No es que la biología siempre fuera divertida. Como asistente de laboratorio, trabajó en un laboratorio que midió cómo el alcohol y el ejercicio juntos afectaban a las ratas. "Estaba en un sótano con ratas borrachas en cintas de correr que no querían correr", dice ella. "¡Fue terrible!" Poco a poco, sin embargo, quedó fascinada por cómo cambiaban los cuerpos y el comportamiento de los animales en respuesta a su entorno inusual: "Yo estaba como, ese es tan fornido, ese es fuerte y ese ha aprendido a hacer que la caminadora funcione". para que no tenga que correr. Nada de lo que podamos construir coincide con lo inteligentes y adaptables que son los sistemas de vida".

Raman transfiere medios líquidos de cultivo celular (izquierda) a un matraz de células vivas. Sus células musculares diseñadas son activadas por destellos de luz para contraerse o "ejercitarse".

Raman continuó explorando cómo se adaptan los sistemas vivos en sus estudios de doctorado en la Universidad de Illinois, donde participó en un trabajo financiado por una gran subvención de la Fundación Nacional de Ciencias para examinar cómo los músculos podrían crecer y curarse por sí mismos. Normalmente, las células musculares se contraen en respuesta a las señales eléctricas enviadas por los nervios a través de un canal iónico activado por voltaje en la membrana celular. Raman quería desarrollar células musculares que se contrajeran en respuesta a la luz. Así que colaboró ​​con Roger Kamm, SM '73, PhD '77, profesor de ingeniería biológica y mecánica del MIT, y utilizó la ingeniería genética para insertar en células musculares de ratón un canal de iones activado por la luz que otros habían desarrollado a partir de células de algas verdes. Demostró que al hacer brillar una luz sobre las células a intervalos regulares para inducirlas a contraerse y liberarse repetidamente, podía hacerlas más fuertes y recuperarse del daño.

En un posdoctorado en el MIT con el pionero de la bioingeniería Robert Langer, demostró esto en un animal vivo. Después de quitar un trozo de músculo de la pata de un ratón, implantó el músculo sensible a la luz diseñado en el sitio de la lesión y lo estimuló para que ejercitara al hacer brillar la luz a través de la piel. "Los ratones recuperaron por completo su movilidad una semana después del daño", dice ella.

Desde que se unió a la facultad del MIT en el otoño de 2021, comenzó a trabajar en la optimización de los regímenes de ejercicio necesarios para desarrollar los músculos que mejor se adaptan a tareas particulares, y en descubrir cómo controlar ese proceso mediante la manipulación de cosas como el brillo y el tiempo de la luz. pulsos. Su laboratorio también está experimentando con otras formas de controlar las células musculares, incluida la integración de neuronas en los tejidos para imitar cómo se controlan en un organismo.

Eventualmente, estaría interesada en desarrollar herramientas robóticas blandas accionadas por músculos que serían más precisas que las herramientas de metal en las que confían actualmente los cirujanos. Los robots más grandes hechos de células vivas podrían operar en entornos desafiantes y hacer cosas como gatear alrededor de un sistema de filtración de agua para eliminar las fuentes de contaminación. "Imagínese que el robot podría transportar otras células que producen sustancias químicas o proteínas para neutralizar una toxina", dice Raman. "Entonces, no se trata solo de movimiento, también se trata de sentir y responder de otras maneras".

"No estamos tratando de reemplazar los materiales con los que los ingenieros suelen construir", dice ella. Más bien, quiere que la próxima generación piense en las células vivas como algo más que pueden usar.

Stefanie Mueller imagina un mundo en el que podrías cambiar el color de tus zapatos tan fácilmente como cambias un avatar digital.

Cuando está buscando un automóvil nuevo en el mercado, a menudo puede conectarse en línea para "pintar" virtualmente uno de los diferentes colores para ver cuál prefiere. Pero, ¿y si pudieras hacer eso en la vida real y cambiar el color de tu auto para que se adapte a tu estado de ánimo? Stefanie Mueller, profesora asociada de desarrollo de carrera de TIBCO de EECS con un nombramiento conjunto en ingeniería mecánica, está trabajando para que eso sea posible. "La visión principal de nuestro laboratorio", dice Mueller, "es dar capacidades digitales a los objetos físicos".

Mueller, quien dirige el Grupo de ingeniería de interacción humano-computadora del MIT, ha sido pionero en una técnica que utiliza tintas activadas por luz, conocidas como tintes fotocromáticos, que podrían cambiar el color de un objeto en cuestión de minutos. Sentada en un sofá de cuero negro en su oficina en el Stata Center, saca un video para demostrarlo. Un modelo impreso en 3D de un camaleón se encuentra dentro de una caja de vidrio. Cuando un proyector lo ilumina con una luz, un patrón de rayas de cebra blancas y marrones da paso a un tablero de ajedrez multicolor.

"Este es el mismo objeto", dice ella. "Rociamos nuestro material inteligente sobre él con un aerógrafo, y luego, una vez que está encendido, proyectas algo de luz sobre él y puedes reprogramar su apariencia". El patrón de color no desaparece cuando la luz deja de brillar; permanece hasta por 26 horas, o hasta que se proyecte uno nuevo. El énfasis de Mueller no está tanto en la creación de nuevos materiales (los tintes fotocromáticos han existido durante décadas) como en el desarrollo de nuevos procesos y técnicas para crear nuevos efectos deslumbrantes con los existentes.

Esta técnica, que ella llama Photo-Chromeleon, utiliza tintes fotocromáticos en amarillo, cian y magenta. "Es similar a cómo funciona su impresora de inyección de tinta", dice Mueller. Los tintes fotocromáticos se pueden activar (si se exponen a la luz ultravioleta) o desactivar (si se exponen a la luz de una longitud de onda específica en el espectro visible). Los tres tintes se mezclan en una laca transparente que se aplica con aerógrafo sobre un objeto. Para crear un diseño multicolor, los tres tintes se activan con luz ultravioleta, volviendo el objeto negro. Luego, los tintes se desactivan de forma selectiva mediante la luz brillante de longitudes de onda específicas sobre la superficie teñida. Dado que las longitudes de onda de la luz roja, verde y azul desactivan el cian, el magenta y el amarillo, respectivamente, se puede usar un proyector de oficina estándar con LED rojo, verde y azul para controlar los tres tintes. Por ejemplo, el LED rojo desactiva el cian, dejando el magenta y el amarillo, que se combinan para crear el rojo. Al proyectar píxeles de luz roja, verde y azul sobre un objeto, Mueller puede "pintarlo" con una resolución muy alta. Y ajustando la duración de la exposición a las diferentes longitudes de onda se pueden conseguir colores intermedios. El proceso podría usarse con una variedad de objetos, incluidos estuches para teléfonos inteligentes, zapatos y camisetas.

Aunque actualmente el color se desvanece en unas pocas horas cuando se expone a la luz solar, el equipo de Mueller está trabajando para incorporar diminutos LED en un sustrato flexible para crear textiles que puedan preservar los diseños al refrescar las partículas fotocromáticas.

Mueller imagina un momento en el que no necesitaríamos comprar cosas nuevas para cambiar nuestro estilo. "En el futuro, tal vez una empresa de calzado te dé un zapato gratis", dice, "pero obtendrás una suscripción a una aplicación y descargarás patrones", patrones que podrías aplicar al zapato. (Su laboratorio está desarrollando un reprogramador portátil que podría usarse en cualquier lugar para renovar o actualizar diseños). Más allá de permitir que las personas cambien sus estilos tan fácilmente como cambian un avatar digital, la tecnología también podría reducir el desperdicio.

"En este momento, las empresas ganan dinero actualizando una tendencia para que compre más cosas, porque no pueden volver a ganar dinero con el mismo artículo", dice Mueller. Este proceso, sin embargo, cambiaría sus incentivos, haciendo más lucrativo no fabricar algo nuevo. "Podrían hacer que la nueva tendencia simplemente te venda un patrón para desbloquear. No tienen que darte algo nuevo físicamente".

Mueller, quien creció en Alemania y estudió informática en el Instituto Hasso Plattner en Potsdam, estaba trabajando en su doctorado a principios de la década de 2010 cuando las impresoras 3D baratas llegaron al mercado. Le fascinó la idea de piratear las máquinas para hacer cosas como imprimir con diferentes materiales. Eso la hizo pensar en cómo se podrían cambiar los materiales para dar nuevas capacidades a los objetos físicos. El Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial (CSAIL) del MIT, al que se incorporó en 2017, ha sido el complemento perfecto, dada su naturaleza interdisciplinaria.

En la técnica "Photo-Chromeleon" de Mueller, la luz proyectada se puede utilizar para controlar la apariencia de un objeto recubierto con una mezcla de tintes fotocromáticos. (FOTOS CORTESÍA DEL INVESTIGADOR)

Para hacer sus artículos que cambian de color, por ejemplo, "necesita desarrollar el material, poner ese material en los objetos y crear un algoritmo que calcule cuánto tiempo tiene que hacer brillar la luz en cada píxel, por lo que necesita estos tres componentes de hardware , materiales y algoritmos", dice. "Si pierdes uno de ellos, no va a funcionar".

Otra técnica que Mueller y sus estudiantes de posgrado están creando prototipos utiliza una película birrefringente, que cambia de apariencia según la polarización de la luz. "Suena muy elegante, pero básicamente es como un envoltorio de comida", dice ella. Al colocar capas de esta película en patrones específicos y luego aplicar un filtro polarizador similar a los de las gafas de sol, su grupo puede crear objetos que cambian su apariencia cuando se gira un dial. Por ejemplo, un mapa o modelo anatómico puede tomar diferentes colores con fines didácticos.

Otros proyectos más incluyen el desarrollo de interfaces de usuario que se pueden rociar sobre superficies. Al colocar capas de tinta metálica conductora, un dieléctrico, un fósforo, cobre y un conductor transparente, crean sensores y pantallas, como un interruptor de atenuación que las personas pueden operar pasando una mano por la pared. "Podrían usarlo como un control deslizante para establecer el color o el brillo", dice Mueller. Un material conductor transparente aplicado a los cojines de un sofá puede detectar cuando alguien se sienta en él. En un proyecto, eso hace que se abra un álbum de fotos en una pantalla cercana, que se desplaza deslizando una mano sobre electrodos transparentes rociados en el brazo del sofá.

Como la mayoría de los proyectos que Mueller elige llevar a cabo, estos traen las cosas que puede hacer en una computadora al ámbito físico. Pero hablando de manera más general, ella siempre está buscando un factor "sorprendente". "Si miras un proyecto y dices: 'Vaya, realmente puedo ver cómo cambia el mundo', incluso si no lo entiendes, querrás saber más al respecto", dice. "Intentamos y seleccionamos ideas que tienen una gran visión detrás de ellas, que primero atraerán a las personas para que puedan disfrutarlas. Luego podemos hablar sobre todos los detalles científicos y técnicos".

Los materiales diseñados con precisión en la nanoescala podrían tener aplicaciones interesantes, si se amplían lo suficiente para hacer objetos útiles. Carlos Portela está desarrollando nuevos materiales y técnicas para hacerlos a macroescala.

Si deja caer una taza de cerámica al suelo, es muy probable que se rompa. Sin embargo, cuando el mismo material cerámico es extremadamente delgado, ocurre algo extraño, como Carlos Portela puede demostrar con un video. En su pantalla hay un cubo de solo 120 micrómetros por lado (los cascarones de huevo son gruesos en comparación) hecho de una red de cascarones de cerámica interconectados. Portela, Brit (1961) y Alex (1949) d'Arbeloff Career Development Assistant Professor en Ingeniería Mecánica, señala una de las paredes del armazón. "Esto tiene solo 11 nanómetros de espesor", dice. Eso es equivalente a unos 30 átomos de ancho. "Voy a comprimir [el cubo] a la mitad de su altura", agrega. "¿Qué esperarías que hiciera la cerámica?"

Cualquier persona razonable esperaría que se rompiera en cien pedazos. Pero cuando una carga comprime el cubo, se pandea y se arruga como una esponja; cuando se retira la carga, el cubo vuelve a tomar forma. "Esto es básicamente el mismo material que una taza de café", dice Portela con una sonrisa, señalando una en su escritorio. "Y sorprendentemente, ni siquiera vemos grietas". Es como una sustancia completamente nueva.

En toda la historia humana, los materiales con los que hemos construido (roca, metal, cerámica, plástico y espuma) han tenido una gama relativamente limitada de características físicas, dice Portela. Para obtener una propiedad deseable, los constructores a menudo deben ceder en otra. Los materiales duros no son muy ligeros, por ejemplo, y los materiales ligeros no son muy rígidos.

En la última década, sin embargo, los ingenieros han comenzado a diseñar a nanoescala para crear nuevos materiales que combinan propiedades deseables que nunca antes se habían encontrado juntas. Conocidos como materiales arquitectónicos o metamateriales, son combinaciones de materiales con propiedades conocidas, como la cerámica y los polímeros. Pero manipular cómo se construyen a nanoescala hace que se comporten de manera completamente diferente a sus precursores familiares. Portela dice que las estructuras de carbono podrían ser fuertes y absorbentes de energía, y los materiales metálicos podrían diseñarse para ser superligeros. Se podrían fabricar otros materiales para que actúen como lentes que puedan enfocar las ondas acústicas. Dado que el mayor factor limitante para los aviones y cohetes es el peso de los materiales con los que están construidos, los nuevos materiales que son fuertes y ligeros podrían aumentar drásticamente la distancia que pueden volar con una cantidad determinada de combustible.

Un modelo de avión plateado en la ventana de Portela con vista a Killian Court da fe de su amor temprano por los aviones. Al crecer en Colombia, quería convertirse en piloto. Estudió ingeniería aeroespacial en la Universidad del Sur de California y obtuvo su licencia de piloto, pero como estudiante internacional, tuvo dificultades para obtener una pasantía en una importante compañía aeronáutica. Para entonces, estaba fascinado por el potencial de la nanoingeniería e ingresó a un programa de doctorado en el tema en Caltech, donde estudió con Julia Greer '97, una pionera en materiales arquitectónicos. Greer estaba experimentando con el uso de impresoras 3D finamente calibradas para crear redes intrincadas a nanoescala que podrían convertirse en materiales con nuevas propiedades. "Su energía y pasión por esto era contagiosa", dice Portela. "Me hizo decir: 'Quiero hacer esto'".

Sin embargo, por revolucionarias que sean las técnicas, también son limitadas. Una impresora puede tardar semanas, si no meses, en imprimir un cubo de unos pocos milímetros de grosor, lo que hace que sea tedioso diseñar y crear nuevos objetos. "Las aplicaciones de la vida real requieren que hagas un nanomaterial lo suficientemente grande como para sostenerlo en tus manos", dice Portela. Ahí es donde entra su investigación. Ha estado desarrollando nuevas técnicas para fabricar materiales arquitectónicos, algunos de los cuales no involucran una impresora 3D en absoluto.

En una técnica, aprovecha las propiedades naturales de los materiales mezclando dos polímeros para formar una emulsión, similar a mezclar aceite y agua. A medida que se aplica calor para que los dos polímeros comiencen a separarse nuevamente, forman naturalmente un patrón entrelazado a escala microscópica. Al solidificarlos en ese momento y luego usar agua para eliminar uno de los polímeros, puede crear una red irregular que es tan intrincada y, sorprendentemente, tan fuerte como una red impresa con precisión. "Podemos hacer esto en cuestión de horas, no meses", dice Portela. Luego recubre su estructura con una película ultrafina de cerámica mediante deposición de capas atómicas, lo que implica exponerla alternativamente a vapores de dos reactivos químicos diferentes. Luego, el polímero restante generalmente se elimina de la estructura recubierta de cerámica al exponerlo al plasma de oxígeno, lo que hace que se descomponga, dejando solo la cubierta de cerámica porosa y resistente. Portela dice que sus muestras a escala centimétrica creadas con esta técnica son algunos de los nanomateriales 3D autoensamblados más grandes jamás creados.

Para crear material de carbono resistente pero ligero, Portela imprime en 3D una red de polímero, que luego se somete a pirólisis: se calienta a temperaturas superiores a 1.500 °C en una atmósfera inerte, que quema prácticamente todo excepto sus átomos de carbono. Esto da como resultado una pérdida de masa de alrededor del 90% y un aumento de la rigidez de al menos diez veces, creando nuevos materiales fuertes pero porosos. Portela también ha creado muestras de materiales de carbono impresos y pirolizados con microarquitectura a escala de centímetros cúbicos. Y está trabajando en objetos aún más grandes.

El grupo de Portela construye algunos de sus materiales de arquitectura utilizando una impresora 3D de resolución a nanoescala alojada en MIT.nano, una brillante instalación de 100 000 pies cuadrados que se completó en 2018. Y confían en el equipo de MIT.nano para la deposición de capas atómicas y utilizan sus microscopios electrónicos. para capturar video mientras prueban sus materiales. Los materiales autoensamblados, por otro lado, se fabrican en el propio laboratorio de Portela en el Edificio 31, donde él y sus estudiantes de posgrado realizan pruebas mecánicas adicionales y ejecutan simulaciones por computadora para predecir las propiedades de los materiales que están creando. También utilizan los microscopios confocales láser del Instituto de Nanotecnologías para Soldados del MIT para las pruebas de impacto. En un experimento, su grupo disparó partículas supersónicas a una red de acero al carbono, lo que demostró que era un 70 % más eficaz que el Kevlar para detener los impactos. Eso abre posibilidades para una nueva forma ultraligera de chaleco antibalas.

Portela también está colaborando con su colega Ritu Raman, cuya oficina está al lado de la suya, en materiales arquitectónicos que integran componentes biológicos. Esperan algún día desarrollar materiales que puedan imitar más de cerca las propiedades físicas de la piel y el tejido humanos, que deben ser flexibles y fuertes. Mientras tanto, Portela se encuentra en las primeras etapas de la creación de materiales livianos con aplicaciones potenciales como la construcción de aeronaves, así como metamateriales que podrían usarse para crear sistemas de filtración ultraeficientes y dispositivos de ultrasonido más efectivos.

Su grupo está abordando preguntas que nadie ha tratado de responder antes porque, dice, "no han tenido los medios experimentales adecuados para hacer esto".

Esta historia fue parte de nuestra edición de mayo/junio de 2023.

"De repente cambié mi punto de vista sobre si estas cosas van a ser más inteligentes que nosotros".

La narrativa sobre los estudiantes que hacen trampa no cuenta toda la historia. Conozca a los profesores que creen que la IA generativa podría mejorar el aprendizaje.

El atractivo de la herramienta para el lugar de trabajo se extiende mucho más allá de la organización de proyectos de trabajo. Muchos usuarios encuentran que es igual de útil para administrar su tiempo libre.

Históricamente, los esfuerzos para aprender a codificar han brindado oportunidades para unos pocos, pero los nuevos esfuerzos apuntan a ser inclusivos.

Descubra ofertas especiales, noticias destacadas, próximos eventos y más.

¡Gracias por enviar su correo electrónico!

Parece que algo salió mal.

Estamos teniendo problemas para guardar sus preferencias. Intente actualizar esta página y actualícelas una vez más. Si continúa recibiendo este mensaje, comuníquese con nosotros en [email protected] con una lista de boletines que le gustaría recibir.