Uso de enjambres de robots para crear estructuras

Los seres vivos pluricelulares son algo profundamente curioso, por poco que uno se ponga a pensar en ello: De una unión de dos células, se produce un ser con millones o más células perfectamente diferenciadas y organizadas en tejidos, y todo ello sin intervención externa, un proceso denominado «morfogénesis». Si se pudiera replicar este tipo de generación de estructuras automáticas con enjambres de robots, se podrían hacer cosas como casas, paredes, estructuras de varios tipos, etc. sin control humano, más allá de dejar los robots en el medio en el que tienen que crear la estructura. Y si estas estructuras tuvieran la capacidad de autorreparación de los seres vivos, tendríamos la posibilidad de construir estructuras autorreparables sin control humano.

Tal posibilidad abre la puerta a llevar enjambres de robots a lugares muy lejanos o peligrosos, dejar que ese enjambre genere una estructura funciona, sin intervención humana, y luego ocupar la estructura.

Un pequeño paso para lograr algo así se ha dado con un gran número de robots: cerca de 300. Uno de los problemas fundamentales en tales estudios está en el propio bloque de construcción: Hasta hace poco, no existían robots pensados para ser usados en enjambre, de forma que los experimentos se hacían con no más de decenas. Pero con el diseño del kilobot, esto ha cambiado. Unos investigadores usaron estos kilobots para programarlos mediante algoritmos que imitaban la morfogénesis biológica mediante dos estrategias:

  • Formación automática de patrones mediante algoritmos de Turing. Estos algoritmos formalizan matemáticamente la generación de patrones por difusión de una o varias sustancias en un sustrato, que se sabe es un mecanismo similar al empleado por los seres vivos en la morfogénesis. Las células vivas cambian su forma en respuesta a la concentración de determinadas sustancias, dando lugar en el crecimiento fetal a diversos tejidos y órganos. En este enjambre de robots se empleó la «concentración» de dos «moléculas virtuales», es decir, cada robot emitía un pulso de color o no, teniendo pues la concentración de la molécula «creadora», la luz, y de la inhibidora, su falta.
  • La migración celular o movimiento de tejido. Este proceso consiste en el movimiento de las células, de forma que los tejidos y órganos que forman se adapten a un determinado patrón.

Los resultados obtenidos son realmente impresionantes, como se puede ver en la figura de abajo:

De la fig. 4.B del artículo reseñado abajo. Se observa la generación de una estructura usando los dos métodos comentados antes para un «pequeño» números de sólo 110 robots..

En estos experimentos, las estructuras no son fijas, lo que dificulta su mantenimiento o uso, pero es un primer paso muy importante en la generación de estructuras sin intervención humana.

El artículo completo se puede consultar en la siguiente dirección: http://robotics.sciencemag.org/content/3/25/eaau9178http://robotics.sciencemag.org/content/3/25/eaau9178

Impresión en 3D realmente rápida

La impresión en 3D es joven, tiene unos treinta años y se empieza a emplear en multitud de aplicaciones y materiales. Uno de los problemas más graves de la fabricación aditiva o impresión en 3D, estriba en la lentitud del proceso, lo que limita seriamente sus posibilidades en la industria.

Pues unos investigadores han descubierto un sistema capaz de imprimir casi cualquier producto que pueda ser endurecido, o curado, según métodos químicos u ópticos, que además, no presenta algunas de las limitaciones más habituales y exigentes en cuanto al tamaño de impresión, como que todo el volumen de impresión se alcance por el brazo «impresor», el sistema de extrusión

El sistema empleado es el uso de un gel granular como medio de suspensión. En él se introduce mediante algún brazo robótico el líquido a endurecer, se endurece según su método habitual y luego se puede extraer, lavando la pieza producida. La clave es que este gel se comporta de dos maneras distintas según la tensión que se le introduce: Si está sometido a una tensión grande, actúa como un líquido, que rodea el objeto como el agua una cuchara que se introduce en un vaso. Si, por el contrario, la fuerza ejercida por el objeto sumergido en el gel es pequeña, actúa como un sólido, sujetando el material que la aguja a dejado en su interior. El gel se hace con un polímero que se usa en cosmética al que se añade agua…

Un detalle muy curioso es que el sistema de impresión no se basa en hacer rodajas finas que luego se imprimirán capa a capa, sino que más bien el objeto a imprimir se de be visualizar como una línea tridimensional que se convierte a una línea paramétrica cuasi contínua, al estilo de los sistemas CNC, donde las rutas de la herramienta son una línea.

Impresión por RLP de un cilindro de 15 x 15 x 20 cm en goma. ¡El tiempo total de la impresión fue de 4 min y 49 s! Imagen del artículo https://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjd%2Fe2007-00305-4

El artículo está publicado en https://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjd%2Fe2007-00305-4

Mayor comprensión de los diversos mecanismos de formación de superficies hidrofóbicas.

En un artículo reciente, unos investigadores han logrado medir con mayor precisión la tensión generada en una gota sobre tres tipos de superficies hidrofóbicas, esto es, que repelen los líquidos en su superficie, logrando confirmaciones experimentales de modelos sobre la tensión ejercida por la gota con la superficie en movimiento.

Esta medida es importante porque la tensión producida sobre la hoja «desfavorece» el movimiento. Es decir, cuanto más pequeña sea, más hidrofóbica es una superficie. Y además, saber cómo se comporta con la velocidad relativa del fluido sobre la superficie es fundamental si quieres calcular, o estimar, el rozamiento del fluido en la superficie. Y hasta ahora nadie había logrado observar las diferencias entre las diversas superficies hidrofóbicas con tanto nivel de detalle.

Figura 01. Del artículo PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 244503 (2018)

Como indican en el artículo, una de las claves está en el método que tienen para poder medir las fuerzas. Como cualquier idea genial, es simplísima una vez que se cuenta, pero muy difícil de darse cuenta y de hacer: Usan un «cantilever», que parece ser se traduce por guía voladiza, pegada a la gota. Es decir, una finísima barra de cristal, concretamente un tubo capilar, se acerca con cuidad extremo a la gota del líquido sobre la superficie para poder medir la flexión en el tubo de cristal, y por aplicación directa de la ley de Hooke ( F = k Δx ) sacan del desplazamiento la fuerza, fijaos en la figura 1. La otra opción genial es deslizarla  un ángulo determinado y comprobar su dinámica en el tiempo, su x(t), que es muy distinta según la gota esté sometida o no a una fuerza constante o a ninguna fuerza.

Con el segundo método se obtiene la segunda figura, donde los desplazamientos a lo largo del tiempo evidencian las fuerzas a las que se somete la gota por la superficie en la que se desliza.

Figura 02. x(t) para las tres superficies estudiadas. Del artículo PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 244503 (2018)

Las tres superficies hidrofóbicas estudiadas son las más comunes:

  • Una superficie conformada con pilares nanométricos para atrapar el aire y generar menos arrastre de la gota,
  • Una superficie con «cepillos moleculares», que debido a las proteínas que forman la superficie impiden el paso del líquido y
  • Una superficie lubricada con un aceite, lo que provoca un mayor deslizamiento de la gota del agua por la superficie.

Los tres tipos de superficies hidrofóbicas estudiadas en el artículo.
De PHYSICAL REVIEW LETTERS 120, 244503 (2018)

La figura 03 muestra un ejemplo de los tres tipos de superficies. El artículo original está aquí, y salió publicado en la revista Physical Review Letters.

Para hacer montañas de granos, es importante saber cómo se formó la montaña.

A lo mejor no parece importante, pero un auténtico misterio de la física hasta hace poco era la formación de montones con material granular en caída libre. Es decir, yo dejo caer desde una distancia fija algo en forma granular, y trato de predecir o modelar la forma que tendrá ese montón.  Hasta hace algún tiempo había resultados experimentales y teóricos contradictorios, entre otras cosas porque no hay un modelo claro de material granular: El material granular son pequeñas piezas con formas distintas entre sí y no se sabe muy bien cómo modelar ni la forma del grano, ni la interacción entre ellos.

Piensen que el material en forma granular tiene interacciones entre granos o partículas vecinas que los separa del sólido rígido, que es el equivalente a granos formando un auténtico continuo, como en los metales, y del modelo de partículas rígidas separadas, cuando no hay demasiados granos. Un modelo que daba algún resultado decente es adaptar el modelo de sólido deformable y quizás elástico con propiedades constitutivas propias para el material granular. Es decir, se hace una aproximación de un material en estado discreto por un continuo cuya descripción encaja en los experimentos con diversos materiales granulares.

Este tipo de aproximaciones no ha sido capaz de resolver un problema de la generación de montones: que la distribución de presiones en el centro del montón depende de cómo se haya formado el montón, de forma que si se genera desde un sólo punto de caída del material, aparece una depresión en la base del montón; cuando se genera median una «lluvia», es decir desde múltiples puntos de caída del material, la depresión en el centro no es visible. En el artículo PRL – Vol113 – 068001 (2014) se demuestra que el uso de modelos elastoplásticos que no eran capaces de predecir estos dos resultados sí que funcionan, pero si se usa un modelo matemático que tiene en cuenta la historia del fenómeno para la descripción numérica.

Cuando se simula un sistema tridimensional en un ordenador, hay que hacer una malla tridimensional de puntos en la que se calculan las propiedades del material, presión, densidad, fuerzas, etc. Esta malla puede seguir o no al material en su movimiento. Cuando la malla es fija y el material se mueve dentro de ella, podemos tener en cuanta la historia de este movimiento mejor.

El resultado final es que en simulaciones con dos modelos distintos de materiales elastoplásticos, se observa la caída de presión en le centro de la pila o montón que ya fue observada experimentalmente, como la figura tres del artículo muestra:

Perfiles de presión de pilas de material granular. Del artículo PRL-Vol311-0068001 (2014), figura 3.

En la figura se muestran los perfiles de presión según el material granular caiga en forma de «lluvia», izquierda, o desde un punto, derecha. Ambos están marcados por la relación entre el ancho de la boca y el radio del montón. En el primer caso, R/W0 es 1. Cuando R/Wo es 10, es decir, todo el material cae desde un sólo punto, se puede observar como según el instante de tiempo en el que observemos el perfil de presiones, éste cambia y termina desarrollando la depresión central al final.

 

Sistema de almacenamiento eterno (O algo parecido)

Se ha encontrado un sistema de almacenamiento que resiste el paso del tiempo, puesto que dura más o menos lo que dura el universo, usando los sistemas de estimación de tiempo generalmente aceptados como razonables.

Decaimiento con el tiempo a temperatura fija del material. Del artículo Phys. Rev. Lett. 112, 033901 (Gráfica de Arrhenius)

 

Al menos, a muy bajas temperaturas. Fíjense en la gráfica, donde los puntos rojos son extrapolaciones de las medidas señaladas con los rombos.
A temperaturas más altas, unos 190 grados centígrados(los 462 K de la gráfica), «sólo» dura más menos unos 10⁹ años…

Se basa en hacer marcas nanométricas en un vidrio: Con un láser muy rápido, para modificar la estructura del vidrio lo menos posible, se generan pequeñas (¡de tamaño nanométrico!) esferas que se «leen» mediante el uso de otro láser del mismo tipo, pero con mucha menos intensidad. Por supuesto, no se puede ni borrar ni alterar la información escrita en el cubo, pero es impresionante. Entre otras cosas, permite el almacenamiento tridimensional de información para, esencialmente, siempre.

Del artículo Phys. Rev. Lett. 112, 033901

Esta imagen muestre un esquema muy simplificado del proceso, con las dimensiones finales de los puntos generados por el láser.

En muchos libros de ciencia ficción se consideraban sistemas similares, como en las películas y libros de Superman, donde su nave traía cristales de información de su planeta Kripton.

El artículo original está disponible en este enlace.

Los árboles se rompen todos igual con el viento.

En un artículo de principios del año pasado publicado en la Physical Review E se soluciona una discrepancia de siglos (no exagero) sobre el escalado de la resistencia de los árboles a la tensión.

No quiero entrar en detalles, pero en principio la resistencia a la rotura de un árbol puede modelarse como la resistencia de un cilindro sólido a la rotura por doblado en un extremo, con el otro firmemente sujeto. Con este modelo, se puede estudiar experimentalmente la rotura en modelos a escala como se ve en la imagen siguiente, sacada del artículo anterior.

Al realizar esos estudios, una parte importante de las conclusiones es si hay alguna ley de escala que permita aplicar lo visto en el laboratorio en escalas de centímetros o milímetros a las escalas de los troncos delos árboles, de metros. Y no sólo la hay, sino que puede ser deducida. Y ese es el valor de esta investigación: es capaz de predecir cómo se rompe la barra de madera, y por lo tanto la velocidad de viento máxima que es capaz de soportar.

Los datos sobre el escalado, resumidos en la figura siguiente, son francamente sorprendentes por lo bien que se ajustan a la escala logarítmica.


Aunque no se aprecia en el recorte que he hecho, el eje vertical es el radio crítico de rotura respecto la longitud total del cilindro, mientras que el eje horizontal es la relación que predice el valor de la fracción anterior.
Se puede observar que para dos materiales bastante distintos, como son la madera y el grafito de las minas de los portaminas, la ley se mantiene.

Con estos resultados, los autores del artículo trataron de predecir un valor de la velocidad de viento máximo que un árbol puede soportar, y encontraron que estaba en torno a los 40 m/s para vientos no estacionarios, los más normales en una tormenta. En la figura siguiente se observa el porcentaje de árboles rotos en función de la velocidad media del viento durante una tormenta de enero de 2009, la llamada Klaus. Se comprueba un valor de más del 50% cuando la velocidad del viento pasa de 42 m/s.
¡No está mal para un modelo que considera un árbol como un cilindro sólido!

Impresión de estructuras metálicas con tintas hechas de óxidos.

La fabricación aditiva (o menos pomposamente, la impresión en 3-D) está recién despegando en el ámbito industrial, con aplicaciones muy impactantes, como la construcción de parte de las toberas de los cohetes de Space-x, o similares. Uno de los mayores problemas para su adopción por otras industrias está en su alto coste, que sólo lo justifica en casos muy excepcionales. Si se pudiera usar algún tipo de tinta para crear la forma, y luego pasarla por un horno, el proceso de fabricación se simplificaría y abarataría mucho, además de integrarse con mucha facilidad en procesos industriales conocidos.

Y ya se puede. En un artículo publicado recientemente, se demuestra el empleo de una «tinta» basada en PLA (un plástico empleado en impresoras 3-D convencionales) con óxidos de metales en suspensión que puede imprimir todo tipo de estructuras con óxidos metálicos, que luego se pueden transformar en metales usando hornos. Los resultados son espectaculares:

fig-04

Fíjense que en que las formas se hacen primero con el óxido, que luego exige un tratamiento térmico posterior para retirar el plástico y «desoxidar» (el término más correcto es reducir…) el óxido de metal. La aplicación que los autores de esta investigación proponen es su uso en la impresión de sistemas catalíticos para coches, tanto por costo del sistema tradicional como por la cantidad de material que se precisa.