Mes: mayo 2021

Fabricación de vidrios con sistemas de inyección

El vidrio, también llamado cristal en Español, es un material que no es muy nuevo para la humanidad. Llevamos usándolo varios milenios, desde el uso de la obsidiana en el neolítico(1), y después de avances muy importante como la caña de soplado de los romanos y gran la automatización de la revolución industrial, no se produjeron avances significativos en su fabricación.

Es muy caro de producir porque no se pueden emplear sistemas de moldeo por inyección: cuando está muy caliente es una pasta muy poco viscosa, que no se presta bien al tratamiento por inyección. Sin embargo, recientemente un grupo de científicos han hecho un avance muy interesante: han logrado fabricar vidrio transparente usando el moldeo por inyección y un post-tratamiento de calentado y sinterización(2) en hornos.

Comienzan su artículo explicando la gran importancia que tienen los vidrios para la sociedad actual, pues forman parte de elementos tan importantes como las fibras ópticas y tan cotidianos como vasos y botellas. Explican después que debido a los altos costes de fabricación y la imposibilidad de emplear sistemas de moldeado por inyección con vidrio hacen que con frecuencia se empleen plásticos para lentes pequeñas, por ejemplo en los teléfonos móviles actuales, en lugar de vidrios.

Sin embargo, las propiedades térmicas, ópticas y químicas de vidrios de sílice, los más comunes, son muy superiores a las de los plásticos. Claro, como el artículo comenta, para poder emplear moldeo por inyección de plásticos, hay que tener unos 200 ºC, mientras que la mayoría de los vidrios se producen a temperaturas en torno a 2000 ºC. Esto hace no sólo que sean difíciles de manejar, sino que la cantidad de energía necesaria para poder fabricarlos sea también muy alta. Los autores del artículo resumen los problemas que tiene el vidrio para poder ser empleado de manera más masiva en dos puntos:

  • Su fabricación exige muchísima energía y
  • no se pueden emplear técnicas de moldeado por inyección con él.

Para resolver este problema, los autores emplean nanopartículas de 50 a 100 nanómetros de diámetro de vidrio mezclados con termoplásticos que emplean en un esquema de fabricación similar al de moldeo por inyección, donde después de moldear la pieza por compresión, se somete a un lavado con agua y posterior tratamiento en horno.

Para iniciar su proceso de fabricación, necesitan un polvo adecuado. Lo fabricaron mezclando nanopartículas de sílice con dos polímeros, uno actuando como plastificante y el otro como solvente. Después de mezclar bien y retirar el solvente, el producto resultante se pudo extruir en máquinas comerciales.

Luego, lo sometieron a procesos de moldeado por inyección habituales, con presiones de 700 a 1.000 bares. El resultado es lo que se suele llamar la «pieza en verde», que luego hay que limpiar usando agua a 40 ºC para quitar el solvente de la misma. Los autores comentan que este proceso, lógicamente, necesita más tiempo según el grosor de la pieza, llegando en sus experimentos a necesitar 10 horas para poder hacer piezas de 10 mm de grosor. Luego, realizan un desagregamiento en esta pieza para eliminar el plástico mediante tratamientos térmico convencionales en un horno con rampas de temperatura controlada, donde la temperatura más alta que necesitaron fue de 600 ºC. El último paso es la síntesis final en un horno de alta temperatura a 1.300 ºC en vacío. Parece mucho, pero la temperatura a la que normalmente se produce el vidrio es superior a 2.000 ºC, con lo que este método presenta ventajas relevantes, como ya se comentó antes.

Todo el proceso hasta la consecución de la pieza final está resumida en la siguiente figura:

Proceso de fabricación de piezas de vidrio con moldeo por inyección.
Las diversas etapas del proceso. De arriba a abajo, se observan la mezcla, su posterior plastificado y uso en el moldeo por inyección, la desagregación y sintetizado final. A la izquierda están dibujos de la estructura interna de los materiales, y a la derecha fotografías reales de los mismos. De la fig. 1 del artículo citado.

Para comprobar si su material podía emplearse directamente en máquinas comerciales, hicieron pruebas con diversas formas, algunas de ellas francamente complicadas como muestra la figura más abajo, y comprobaron que podían llegar a obtener piezas pequeñas con un tiempo total de fabricación de aproximadamente 5 horas por pieza. Además, al usar esta máquina pudieron fabricar una gran cantidad de componentes y formas geométricas, sin posterior pretatratado de la superficie más allá de las etapas de desagregamiento y calentado. De hecho, comentan en un momento posterior del artículo que la rugosidad media de sus piezas es de 3,8 nm.

Hacen notar después que todas las ventajas del moldeado por inyección se mantienen, de tal forma que este nuevo método de manejo del plástico permite la fabricación de micro componentes en vidrio que tiene varios usos. Como ejemplo, usaron lentes de Fresnel, un elemento muy empleado en comunicaciones ópticas. Además, fabricaron también pequeñas cubetas de vidrio que pueden emplearse para su uso en sistemas de microfluidos, con aplicaciones potenciales muy interesantes.

Piezas moldeadas y su versión final.
Piezas moldeadas y su versión definitiva. La figura A presenta las piezas moldeadas, la B algunas de las piezas ya vitrificadas y la c muestran la capacidad de tintar los vidrios empleados. Las barras de escala tienen 10 mm. De la figura 3 del artículo citado.

Al emplear directamente este sistema de fabricación comprobaron que la reproducción del molde por parte de la pieza es tan buena, que la presencia de imperfecciones en el molde es determinante en la calidad de la pieza final, algo bien conocido en este tipo de sistemas de fabricación.

Concluyen el artículo diciendo que el nuevo esquema de fabricación del vidrio que ellos proponen podría dar lugar a un salto en el empleo del vidrio, un material con muchas ventajas sobre el plástico, avanzando así en sistemas de economía que necesiten menos recursos energéticos del planeta. Quizás esto sea una visión muy optimista que no tiene en cuenta que tan pronto como una tecnología es lo suficientemente barata, su uso se generaliza tanto que el consumo final de energía aumenta. Pero está claro que es un avance magnífico aumentar nuestro arsenal de técnicas de fabricación con el añadido del moldeo por inyección al vidrio.

El artículo se publiucó en la revista Science, vol. 372: High-throughput injection molding of transparent fused silica glass.

Notas:

(1) En este blog lo explican muy bien: Historia del vidrio.

(2) La sinterización consisten en el fundido por calor de las partículas que forman un agregado, dándole una mayor estabilidad estructural y generalmente mejores propiedades a la pieza que se somete a este proceso. Se emplean para la fabricación de piezas en dos partes, con una primera parte donde se realiza un moldeado y compresión desde polvo.

Robots blandos con células musculares normales.

Como lector de ciencia ficción, siempre me fascinó la posibilidad de mezclar elementos mecánicos y biológicos a un nivel tan profundo que se pudieran diseñar los biológicos. Investigaciones (relativamente) recientes publicadas en la revista Science Robotics han dado un paso más en esa dirección, al publicar como un grupo de investigadores diseñaron un robot que emplea músculos y esqueletos vivos diseñados en laboratorio para nadar.

Comienza en la introducción estableciendo algo muy obvio: los seres vivos somos muy complicados y realizamos una gran cantidad de tareas complejas de auto-organización de materia, curación, movimiento y sensoras. Explica que la robótica blanda biomimética(1) pretende precisamente imitar estos comportamientos complejos, pero con éxito relativo hasta ahora. Según el artículo, ya se han logrado robots que combinan tejidos vivos capaces de arrastrarse por el suelo o coger cosas, pero sin las capacidades de casi cualquier ser vivo.

Sigue el artículo diciendo que una de las áreas más investigadas es la consecución de músculos artificiales, donde hay una gran cantidad de avances pero que todavía se quedan lejos de las capacidades de los tejidos vivos en cuanto a consumo energético, capacidad de auto-regeneración, etc. Por eso estos investigadores, y otros, tomaron el camino de usar tejidos vivos combinados con materiales artificiales, que generalmente se usan como control o apoyo estructural.

También comentan que ya hay varios ejemplos publicados de robots que emplean células musculares cardíacas, generalmente en estructuras bidimensionales, para realizar control de movimiento, medir/sentir algún tipo de fuerza, etc. Su mayor ventaja reside en que su control es más sencillo, porque una vez que se las estimula con la frecuencia adecuada, no paran de moverse. Al mismo tiempo, ése es su mayor inconveniente. Por eso, algunos investigadores trataron de usar células musculares «normales», es decir, de músculos asociados a huesos, porque además estas células pueden configurarse tridimensionalmente en estructuras mucho más complejas que las cardíacas.

Generalmente el uso de células musculares normales se asocia a robots que andan o se arrastran, pues según los autores del artículo son estos los avances logrados hasta ahora. Por eso su bio-robot(2) que emplea una estructura en muelle como «esqueleto» de un conjunto de células musculares normales para poder nadar es un avance importante. El robot que este grupo diseñó puede nadar y moverse porque la estructura de muelle que soporta las células tiene una rigidez asimétrica, de tal forma que la contracción de las células musculares produce dos tipos de movimiento diferenciado en el robot, según dónde se encuentre: nadar en la superficie aire-líquido y bucear(3) cerca del fondo del líquido. Con esta estructura crearon el robot más rápido hasta la fecha realizado con este método de fabricación. Se mueve más o menos a la misma velocidad que robots basados en células cardíacas, que son mucho más rápidos que los basados en células musculares gracias a su mayor capacidad de oscilación.

En la siguiente sección de resultados explican como lo hicieron y la forma que tiene, y me parece espectacular. Usaron técnicas de impresión en 3D, impresión aditiva, para imprimir tanto el «esqueleto» como un conjunto de hidrogel donde se hicieron crecer las células musculares, como muestra la siguiente figura:

Forma del bio-robot impreso con técnicas 3D. La foto de abajo muestra las células musculares. De la figura 1 del artículo citado.
Forma del bio-robot impreso con técnicas 3D. La foto de abajo muestra las células musculares. De la figura 1 del artículo citado.

Para hacer el esqueleto emplearon un plástico, el PDMS(4), mientras que las células musculares que forman el anillo exterior se integraron en una matriz de hidrogel para poder primero darle forma y luego que en el proceso de secado se mantuvieran fijas.

Bio-robot real. La escala blanca de abajo es de 3 mm. Se aprecia el tejido muscular en forma de banda alrededor del «esqueleto» plástico, y las dos oscilaciones internas del mismo que le permiten moverse bien. Tuvieron que hacer varias pruebas hasta lograr que las células musculares pudieran moverse bien con el esqueleto. La foto viene de la fig. 2 del artículo citado.

Bio-robot real. La escala blanca de abajo es de 3 mm. Se aprecia el tejido muscular en forma de banda alrededor del «esqueleto» plástico, y las dos oscilaciones internas del mismo que le permiten moverse bien. Tuvieron que hacer varias pruebas hasta lograr que las células musculares pudieran moverse bien con el esqueleto. La foto viene de la fig. 2 del artículo citado.

Tras explicar cómo montaron el esqueleto, explican también qué materiales introdujeron en el hidrogel para permitir que las células que inyectaron se quedaran quietas y no murieran, además de describir el proceso empleado para hacer crecer las células, un proceso largo que aquí no quiero reseñar. Sólo comentar que no es nada inmediato y que requiere paciencia: un mínimo de tres días hacen falta para dejar crecer las células iniciales que luego se transformarán en el músculo. Todo el proceso lleva de 4 a 8 días.

La mecánica del desplazamiento y movimiento del bio-robot es sencilla: cuando mediante estimulación eléctrica el músculo se contrae, las vueltas del esqueleto se acortan, y cuando se permite al músculo relajarse, se vuelven a alargar. La imagen siguiente lo muestra muy bien:

Fuerzas ejercidas en el bio-robot y la contracción que generan en el mismo. Con este movimiento básico, el dispositivo puede realizar los movimientos reseñados.
Fuerzas ejercidas en el bio-robot y la contracción que generan en el mismo. Con este movimiento básico, el dispositivo puede realizar los movimientos reseñados. De la figura 2 del artículo citado.

Para llegar esta configuración, realizaron simulaciones y estudios del «esqueleto» con modelos de elementos finitos, para ver qué configuración era capaz de moverse mejor. Vieron tres modelos con diferentes curvaturas en las dos bobinas internas que emplearon, prestando mucha atención a la distribución de fuerzas en la estrucutura en contracción, dado que fuerzas muy localizadas podían dañar el tejido. Por otra parte, algún tipo de asimetría en las fuerzas ejercidas sobre el tejido muscular es bueno, dado que promueve el crecimiento de tejido capaz de moverse mejor y es la clave para el movimiento final del bio-robot: si se contrajera y expandiera de manera totalmente simétrica nunca podría moverse. Para comprobar que la asimetría producida por su diseño era clave en este movimiento, usaron las mismas técnicas experimentales, pero con un «esqueleto» que eran dos pares de palos enfrentados, lo que tiene una simetría mucho mayor que su diseño. El resultado fue que el tejido muscular no se podía mover de manera regular, lo que confirmó la idea de los investigadores, ya probada en experimentos previos por otra gente, de que era fundamental la asimetría en el sistema esqueletal.

Al estudiar con más detalle su bio-robot, vieron que si bien se podía mover siempre que hubiera una cierta ruptura de simetría en el sistema de soporte o esqueleto, para lograr cierto control sobre ese movimiento tenían que poder controlar la asimetría que se produjo. Este control se lograba al fabricarlo, controlando la rigidez del plástico empleado en cada parte del soporte.

Explican después las características hidrodinámicas del movimiento del bio-robot, diciendo que a muy bajos números de Reynolds nada puede moverse en un líquido a menos que ese movimiento tenga una cierta asimetría. En la naturaleza, las bacterias alcanzan esa asimetría mediante movimiento rotatorios de sus flagelos. Estimando el valor del número de Reynolds(5) de su robot llegan a un valor entre 1 y 5, que es muy bajo, por lo que las asimetrías en la contracción y el movimiento del fluido alrededor del bio-robot son la clave para su movimiento, algo que confirmaron mediante el empleo de simulaciones hidrodinámicas.

La última sección del artículo trata de resumir lo que han conseguido y explican la importancia de la ruptura de simetría controlada en lograr el movimiento de su sistema, destacando la rapidez que tiene al moverse y cómo los siguientes pasos son lograr que su bio-robot sea compatible con más fluidos que los del laboratorio y mejoras en el control de los bio-robots, de momento muy crudo y basado en moverse o no.

El artículo se publicó en la revista Science Robotics, que no es accesible sin pagar. Pero los autores publicaron una versión previa del artículo, casi seguro que prácticamente idéntica a la original, que es la que yo reseño aquí. Está accesible en los prepints de bioRxiv, un repositorio de artículos relacionados con la biología: Bio-hybrid soft robots with self-stimulating skeletons.

Notas:

(1) La robótica blanda biomimética es la rama de la robótica que, usando tejidos blandos naturales o artificiales, trata de imitar y lograr las capacidades de los seres vivos, pero diseñadas y comprendidas desde el laboratorio. Tiene un uso fundamental en medicina, porque los robots en instrumentos tradicionales no siempre se pueden introducir en el cuerpo humano, bastante más blando que los metales o plásticos que se usan tradicionalmente en robótica.

(2) Bio-robots es la palabra empleada en el artículo para definir los robots construidos de manera artificial, pero con la unión de tejidos vivos, también alterados genéticamente para cumplir una determinada misión.

(3) La palabra que emplean en inglés es «coasting», que se puede traducir como dejarse ir sin apenas influir en el movimiento, pero como este bio-robot tiene que moverse para realizar este tipo de actuación, preferí traducirlo por bucear.

(4) PDMS: Polidimetilsiloxano. Un polímero que se puede introducir de manera segura en el cuerpo, que se puede fabricar con viscosidades muy distintas. El artículo en español de la Wikipedia es muy bueno y completo: Wiki:PDMS.

(5) El número de Reynolds es un valor adimensional que explicita la relación entre las fuerzas de movimiento y rozamiento en cualquier sistema donde haya un fluido en movimiento.