La trompa de un elefante contiene aproximadamente 40.000 segmentos musculares individuales, cada uno de ellos capaz de contraerse de forma independiente, que es la forma en que el animal puede abrir una sandía y luego, treinta segundos después, recoger un maní del suelo. Los zarcillos de las plantas hacen algo estructuralmente similar: cuando una enredadera de pepino toca un soporte, las células especializadas de un lado del zarcillo se lignifican y se endurecen, mientras que las células del otro lado permanecen blandas, y la asimetría resultante hace que toda la estructura se enrolle formando un resorte apretado en cuestión de horas. El filamento es la máquina. Su cambio de forma no es provocado por un actuador separado o un sistema nervioso central; el comportamiento se escribe directamente en la arquitectura interna del material, a nivel de células individuales. Para los ingenieros que intentan construir robots blandos, prótesis y filtros adaptativos, esta ha sido la parte exasperante: replicar un movimiento es bastante fácil, pero codificar el movimiento en la materia misma es algo completamente distinto.
Un equipo de Harvard ha hecho ahora algo parecido. Utilizando una técnica de impresión que gira su boquilla a medida que deposita material, han fabricado filamentos sintéticos finos como un cabello cuyo comportamiento de flexión, torsión y enrollado se programa durante la fabricación, sin requerir pasos de ensamblaje separados, ni sistemas neumáticos atados, ni posprocesamiento mecánico.
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El ingrediente clave es una clase de polímero llamado elastómero de cristal líquido. Estos materiales contienen moléculas rígidas en forma de varilla, conocidas como mesógenos, alineadas en una dirección preferida. Cuando se calienta por encima de una temperatura de transición, la alineación colapsa desde un estado nemático ordenado a uno isotrópico desordenado, y el polímero se contrae a lo largo de su eje de alineación en aproximadamente un tercio. Enfríelo y la alineación volverá a funcionar; el material se expande. Este ciclo es reversible durante al menos un millón de ciclos, que es más de lo que la mayoría de los músculos biológicos logran, y no requiere ninguna fuente de energía atada. Históricamente, el problema ha sido que sólo se podía lograr que estos elastómeros hicieran una cosa: contraerse en línea recta. Los movimientos complejos, como una bobina o una hélice, requerían elaborados pasos de programación una vez fabricado el material.
Lo que introdujo el laboratorio de Jennifer Lewis en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard es una impresora 3D multimaterial rotacional, un sistema que coextruye dos tintas diferentes una al lado de la otra a través de una única boquilla de un milímetro mientras la boquilla gira. Una tinta es el elastómero de cristal líquido activo. El otro es un elastómero de acrilato pasivo que apenas cambia de forma independientemente de la temperatura. A medida que la boquilla gira, coloca estos dos materiales en un patrón helicoidal controlado alrededor de la sección transversal del filamento, con la mitad activa girando en relación con la mitad pasiva a un ritmo que los investigadores pueden aumentar o disminuir a mitad de la impresión.
El investigador postdoctoral Mustafa Abdelrahman, primer autor del artículo, llegó a este enfoque después de trabajar con láminas de elastómero de cristal líquido utilizando métodos considerablemente más laboriosos. Cuando se encontró con la plataforma de impresión rotativa de Lewis, describió su reacción: “Vi esto realmente hermoso [rotational 3D printing platform] y pensé: ‘¿Qué pasa si conectamos materiales activos y los modelamos dentro del filamento? ¿Podemos impulsar el cambio de forma de esa manera?’”
De un único filamento a una red que cambia de forma
La lógica de lo que sigue es casi satisfactoriamente mecánica. Debido a que el elastómero de cristal líquido se contrae a lo largo de su dirección de alineación molecular cuando se calienta, y esa alineación ahora está enrollada helicoidalmente alrededor del eje del filamento, la deformación que sufre el filamento depende directamente de la velocidad de rotación utilizada durante la impresión. A velocidades de rotación bajas, el material activo se asienta predominantemente en un lado de la sección transversal, lo que produce una fuerte flexión: el filamento se curva con fuerza, como si se curvara un dedo. Aumente la velocidad de rotación y el ángulo helicoidal se hace más pronunciado; ahora el material que se contrae genera un movimiento acoplado de flexión y torsión, produciendo bobinas toroidales que los investigadores describen como una reminiscencia del superenrollamiento del ADN. A velocidades aún más altas, el ángulo de la hélice se acerca a los 45 grados, la geometría que convierte de manera más eficiente la contracción axial en torsión, y el filamento se retuerce casi sin cambios en la longitud total. Empuje más alto nuevamente y la flexión reaparece, porque el ángulo helicoidal ha superado su punto óptimo y está trabajando contra sí mismo.
Los filamentos sobreviven ciclos térmicos repetidos entre 25 y 175 grados Celsius sin degradación observable durante 100 ciclos y sin delaminación en la interfaz entre los dos elastómeros; Debido a que ambas tintas están basadas en acrilato, el curado UV forma enlaces covalentes entre ellas en lugar de depender únicamente de la adhesión.
Una vez que los investigadores tuvieron filamentos individuales en funcionamiento, comenzaron a ensamblarlos en redes: rejillas planas de hebras onduladas y sinusoidales. La deformación aumenta de forma predecible. Si el elastómero activo se coloca en el exterior de la curvatura de cada onda, el calentamiento endereza el filamento y la red se expande; si se coloca en el interior, el calentamiento aumenta la curvatura y la red se contrae. Una rejilla de 4 × 4 de filamentos en expansión duplicó aproximadamente su superficie al calentarse. Las redes que se contraen se contrajeron aproximadamente un 28%, limitadas principalmente por el punto en el que los filamentos vecinos comienzan a atascarse.
Las demostraciones más sorprendentes provienen de la mezcla de los dos tipos dentro de una única red plana. Coloque los filamentos en expansión en el centro y los que se contraen alrededor del perímetro, y la rejilla inicialmente plana se transforma en una cúpula cuando se calienta. Invierta el arreglo y se curvará en forma de silla de montar. Ambas configuraciones coincidieron estrechamente con las predicciones de un modelo computacional basado en la teoría de varillas elásticas discretas, desarrollado en colaboración con el grupo de L. Mahadevan, un matemático aplicado de Harvard cuyo trabajo se ha centrado durante mucho tiempo en la mecánica de estructuras biológicas.
Pinzas, filtros y lo que viene después
El equipo demostró dos aplicaciones prácticas, ambas ciertamente de escala modesta, pero que ilustran una lógica de diseño que podría ir mucho más allá. Una red plana en expansión montada en un marco actúa como un filtro con temperatura controlada: frías, las aberturas son lo suficientemente pequeñas como para atrapar esferas; calientes, se abren y liberan. Una red de contracción unida a un mango de acrílico funciona como una pinza de recogida y colocación capaz de agarrar simultáneamente una serie de pequeñas varillas de acrílico, levantarlas, transportarlas a un lugar objetivo y soltarlas a medida que se enfría. La mayoría de las pinzas suaves reportadas hasta la fecha pueden manipular un solo objeto a la vez; éste manejó varios objetos simultáneamente, que es aproximadamente la diferencia entre unos palillos y una mano.
Es posible reducir el tamaño de los filamentos, aunque conlleva compensaciones. La reducción del diámetro de la boquilla de 1 mm a 0,5 mm produce filamentos de alrededor de 300 micrones de ancho, pero requiere velocidades de impresión más lentas, lo que reduce la alineación de los mesógenos inducida por el cizallamiento y debilita un poco la respuesta de actuación. El estudiante de posgrado Jackson Wilt ve la arquitectura como intrínsecamente extensible: “se podrían crear boquillas más complejas que se integren con otros materiales en el futuro”, dijo, señalando posibilidades como “un canal de metal líquido para permitir la actuación o integrar otras funciones”.
La estructura tampoco está fijada a elastómeros de cristal líquido. Los investigadores sugieren que la misma lógica de programación geométrica podría aplicarse a los hidrogeles, los polímeros con memoria de forma o los elastómeros dieléctricos, con diferentes sistemas de materiales simplemente cambiando la amplitud de actuación, el tiempo de respuesta y el estímulo desencadenante. Ésa es una afirmación importante y aún está por demostrarse. Pero el principio subyacente, codificar el cambio de forma en la geometría interna de un filamento durante la fabricación en lugar de imponerlo desde el exterior, parece genuinamente transferible.
“Este diseño de filamentos y este marco de impresión podrían acelerar la transición de materiales artificiales similares a músculos del laboratorio a tecnologías del mundo real”, dijo Lewis. La distancia práctica entre un baño de aceite de silicona en un laboratorio de Harvard y un sistema robótico blando desplegable es considerable. Pero la inspiración biológica, al menos, es bastante clara: la trompa del elefante no necesitaba un controlador. Sólo necesitaba la estructura adecuada.
Fuente: Abdelrahman et al., Actas de la Academia Nacional de Ciencias, 2026
Preguntas frecuentes
¿En qué se diferencia esto de los robots blandos existentes que se doblan y tuercen?
La mayoría de los actuadores blandos existentes dependen de fuentes de presión externas, como bombas y tubos, para impulsar el movimiento, o requieren múltiples pasos posteriores a la fabricación para programar diferentes movimientos en diferentes partes. El enfoque de Harvard codifica el tipo específico de deformación directamente en la estructura interna del filamento durante la impresión, por lo que no se necesita ninguna fuente de energía atada ni ensamblaje. El cambio de forma está integrado, de la misma manera que la arquitectura de las fibras musculares está integrada en una extremidad biológica.
¿Podrían estos filamentos llegar a funcionar dentro del cuerpo humano?
Potencialmente, aunque el sistema actual se activa con calor en el rango de 100 a 175 grados Celsius, lo que descarta la aplicación biológica directa tal como está. Los investigadores señalan que, en principio, el marco podría aplicarse a otros sistemas materiales con diferentes estímulos desencadenantes, y mencionan específicamente aplicaciones biomédicas como filamentos inyectables que se unen para formar estructuras porosas que promueven la coagulación. Eso requeriría un material activo diferente que respondiera a un estímulo seguro para el cuerpo, y sigue siendo especulativo en esta etapa.
¿Qué impide que el filamento se enderece cuando intentas utilizarlo como pinza?
La mitad de elastómero pasivo del filamento resiste la deformación; está ahí específicamente para actuar como una guía mecánica. La diferencia de rigidez de 50 veces entre los materiales activos y pasivos significa que cuando el lado activo se contrae, el lado pasivo no sólo lo sigue, sino que obliga a todo el filamento a curvarse o torcerse en lugar de acortarse uniformemente. La geometría hace el trabajo de canalizar la contracción hacia el movimiento deseado.
¿Es cierto que estos filamentos podrían duplicar su superficie simplemente calentándolos?
Sí, para la configuración de celosía en expansión. Cuando el elastómero activo se coloca en el exterior de la curvatura de cada onda en la red, el calentamiento hace que los filamentos se enderecen y el área total de la red aumenta aproximadamente un 99% en promedio en los experimentos. La configuración de contracción mostró una reducción de área más modesta del 28%, limitada por el punto en el que los filamentos adyacentes se atascan físicamente entre sí.
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