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Los científicos se inspiran en la trampa para crear velcro biodegradable

Representación artística de la microestructura del Velcro.  Científicos del Instituto Italiano de Tecnología han creado un velcro suave, biodegradable y soluble inspirado en la estructura de microganchos de las hojas de la planta “catchweed” (<em> Galium aparine </em>). «><figcaption class=
Agrandar / Representación artística de la microestructura del Velcro. Científicos del Instituto Italiano de Tecnología han creado un velcro suave, biodegradable y soluble inspirado en la estructura de microganchos de las hojas de la planta «catchweed» (Galium aparine).

Clouds Hill Imaging Ltd./Getty Images

Rara vez hay tiempo para escribir sobre todas las historias científicas interesantes que se nos presentan. Así que este año, una vez más, estamos publicando una serie especial de publicaciones de Doce días de Navidad, destacando una historia que se perdió cada día, desde el 25 de diciembre hasta el 5 de enero. Hoy: el velcro biodegradable se inspira en la naturaleza para retribuir naturaleza.

El velcro está encendido ingenioso cierre de velcro inspirado en la naturaleza, específicamente, berberechos. Ahora los científicos del Instituto Italiano de Tecnología están devolviendo el favor. Crearon el primer Velcro biodegradable, inspirado en plantas trepadoras, y lo usaron para construir pequeños dispositivos para ayudar a monitorear la salud de las plantas de cultivo y entregar pesticidas y medicamentos según sea necesario, según un periódico de noviembre publicado en la revista Communications Materials.

El creador de Velcro fue un ingeniero suizo llamado Jorge de Mestral, quien combinó su amor por la invención con una pasión por la naturaleza. Después de terminar la escuela, aceptó un trabajo en el taller de maquinaria de una empresa de ingeniería suiza. En 1948, de Mestral se tomó unas vacaciones de dos semanas del trabajo para ir a cazar aves. Mientras caminaba con su puntero irlandés en las montañas del Jura, estuvo plagado de berberechos (semillas de bardana), que se aferraban implacablemente tanto a su ropa como al pelaje de su perro.

Fue tan difícil desenredar las tenaces vainas de semillas que de Mestral quedó intrigado por cómo se construyeron y examinó algunas bajo un microscopio. Notó que el exterior de cada rebaba estaba cubierto con cientos de pequeños ganchos que se agarraban a bucles de hilo o, en el caso del perro, a la piel. Y le dio una idea para un cierre similar hecho por el hombre.

El cierre de velcro conocido por la marca registrada Velcro fue inventado por un ingeniero suizo llamado George de Mestral en la década de 1950.
Agrandar / El cierre de velcro conocido por la marca registrada Velcro fue inventado por un ingeniero suizo llamado George de Mestral en la década de 1950.

iStock / Getty Images

La mayoría de los expertos en telas y telas con los que consultó en Lyon, Francia, entonces el centro mundial de la industria del tejido, se mostraron escépticos de que la idea funcionara. Pero una tejedora compartía el amor de De Mestral por la invención. Trabajando a mano en un pequeño telar, logró tejer dos cintas de algodón que se sujetaron con la misma fuerza que los berberechos. De Mestral llamó al invento Velcro, de las palabras francesas VELours (“terciopelo”) y CROchet (“gancho”). El nombre de la marca se registró oficialmente el 13 de mayo de 1958. Para entonces, De Mestral había dejado su trabajo en la empresa de ingeniería y obtuvo un préstamo de $ 150,000 para perfeccionar el concepto y establecer su propia empresa para fabricar sus nuevos cierres de velcro. .

Introducido oficialmente en 1960, Velcro no fue un éxito inmediato, aunque la NASA lo encontró útil para hacer que los astronautas entraran y salieran de voluminosos trajes espaciales. Eventualmente, los fabricantes de ropa para niños y ropa deportiva se dieron cuenta de las posibilidades, y la compañía pronto vendió más de 60 millones de yardas de Velcro por año, convirtiendo a De Mestral en un multimillonario. Murió en 1990 y fue incluido en el Salón de la Fama de Inventores Nacionales nueve años después.

Usualmente hecho de nailon, el velcro se usa en zapatillas, mochilas, billeteras, chaquetas, correas de reloj, brazaletes de presión arterial y juguetes como tableros de dardos seguros para niños. Incluso ayudó a mantener unido un corazón humano durante el primer trasplante de corazón artificial. La «pegajosidad» proviene de su estructura: examine las dos tiras de un cierre de velcro bajo un microscopio, y verá que una tira contiene lazos microscópicos, mientras que la otra tiene pequeños ganchos que se enganchan en los lazos para sujetar de forma segura.

Imagen SEM de hojas de catchweed.  Los micro-ganchos en sus hojas le permiten anclarse en la superficie de otras plantas a medida que crece, explotándolas como soporte físico.
Agrandar / Imagen SEM de hojas de catchweed. Los micro-ganchos en sus hojas le permiten anclarse en la superficie de otras plantas a medida que crece, explotándolas como soporte físico.

IIT-Istituto Italiano di Tecnologia

La coautora Isabella Fiorello y sus colegas estaban interesados ​​en desarrollar nuevas tecnologías innovadoras para monitorear plantas. en el lugar para detectar enfermedades, así como para administrar diversas sustancias a las plantas. Sin embargo, pocos dispositivos de este tipo se pueden unir directamente a las hojas de las plantas sin dañarlas. Las mejores opciones actuales son los sensores unidos con pegamentos químicos o con clips. También se están desarrollando parches a base de microagujas capaces de penetrar las hojas para detectar enfermedades.

Fiorello et al. encontró inspiración en la planta común de la trampa (Galium aparine). Puede formar esteras densas y enredadas en el suelo, y si bien las plantas pueden crecer hasta seis pies, no pueden pararse por sí mismas y, en su lugar, deben usar otras plantas como apoyo. Para este propósito, las plantas de algas se basan en un «mecanismo de anclaje parasitario único similar a un trinquete para trepar por encima de las plantas hospedantes, utilizando ganchos microscópicos para el enclavamiento mecánico de las hojas», escribieron los autores.

El equipo italiano estudió de cerca esa estructura de microgancho y luego utilizó una impresora 3D de alta resolución para crear versiones artificiales, utilizando varios materiales, incluidos materiales fotosensibles y biodegradables hechos de una sustancia similar al azúcar conocida como isomalt. Sus reproducciones artificiales demostraron ser bastante capaces de adherirse a muchas especies de plantas diferentes, al igual que sus contrapartes naturales.

Los microanzuelos se han diseñado para penetrar la cutícula de la planta de una manera apenas invasiva, lo que permite controlar y tratar las plantas.  Al adherirse a la planta, los microganchos de isomalt pueden conectarse con el sistema vascular de la hoja y, como el isomalt es soluble, disolverse en el interior.
Agrandar / Los microanzuelos se han diseñado para penetrar la cutícula de la planta de una manera apenas invasiva, lo que permite controlar y tratar las plantas. Al adherirse a la planta, los microganchos de isomalt pueden conectarse con el sistema vascular de la hoja y, como el isomalt es soluble, disolverse en el interior.

IIT-Istituto Italiano di Tecnologia

Como aplicación inicial, el equipo diseñó un dispositivo que podía penetrar la cutícula de una planta con una invasividad mínima, lo que permitía monitorear y tratar la planta, si fuera necesario. Los microganchos de isomalt se adhieren al sistema vascular de las hojas y luego se disuelven en el interior, porque el isomalt es soluble.

Fiorello et alLos experimentos demostraron que sus microganchos artificiales se pueden usar como yeso para la liberación controlada y dirigida de pesticidas, bactericidas o productos farmacéuticos en las hojas. Esto reduciría en gran medida la necesidad de una amplia aplicación de plaguicidas. Y dado que el yeso se disuelve una vez que se aplica, no hay desperdicio adicional.

El equipo también imprimió ganchos hechos de una resina fotosensible y los ensambló junto con sensores de luz, temperatura y humedad para hacer clips inteligentes que permitan el monitoreo inalámbrico de la salud de la planta. Los clips se adhieren a las hojas individuales y transmiten datos de forma inalámbrica gracias a un software informático personalizado.

El prototipo demostró ser resistente a las condiciones de viento y fue capaz de realizar mediciones en tiempo real durante hasta 50 días. Los dispositivos podrían usarse para aplicaciones botánicas a pequeña escala, o podrían ampliarse. Por ejemplo, los agricultores podrían distribuir muchos de estos dispositivos para mapear mejor y monitorear amplias áreas de cultivo, según los autores.

Los ganchos impresos con una resina fotosensible se pueden ensamblar junto con la electrónica y los sensores de luz, temperatura y humedad.  Esto crea clips inteligentes para el monitoreo inalámbrico de la planta a ambos lados de la hoja.
Agrandar / Los ganchos impresos con una resina fotosensible se pueden ensamblar junto con la electrónica y los sensores de luz, temperatura y humedad. Esto crea clips inteligentes para el monitoreo inalámbrico de la planta a ambos lados de la hoja.

IIT-Istituto Italiano di Tecnologia

Finalmente, Fiorello et al. desarrolló un sistema micro-robótico capaz de moverse sobre la superficie de las hojas usando micropasos, copiando el movimiento similar al de un trinquete de la planta. Mecanismos de actuación similares se han demostrado previamente en SpinyBot de la Universidad de Stanford—Capaz de escalar superficies duras y planas gracias a los arreglos de espinas en miniatura en sus patas, y la Universidad de California, Berkeley’s Robots CLASH, que son capaces de trepar por superficies de tela sueltas suspendidas, como cortinas.

El micro robot IIC se basa en un actuador multifásico fluídico suave, accionado de forma remota mediante el ciclo de encendido y apagado de un láser de infrarrojo cercano. «Hasta donde sabemos, esta es la primera máquina de prueba de concepto inspirada en plantas capaz de anclaje reversible dinámico similar a un trinquete sobre una hoja», escribieron los autores, aunque su robot blando es puramente para finales de demostración. Se deben superar muchos obstáculos para garantizar que dichos dispositivos puedan funcionar en entornos naturales, como maniobrar a través de una densa vegetación en diferentes condiciones climáticas.

«Nuestros estudios siempre comienzan por la observación de la naturaleza, buscando replicar las estrategias empleadas por los seres vivos a través de tecnologías robóticas de bajo impacto ambiental». dijo Barbara Mazzolai, director asociado de robótica en IIT, quien dirige el IIT Bioinspired Soft Robotics Lab. “Con este último proyecto de investigación, hemos demostrado además que es posible crear soluciones innovadoras que no solo tienen el objetivo de monitorear la salud de nuestro planeta, en particular de las plantas, sino de hacerlo sin alterarlo”.

DOI: Materiales de comunicación, 2021. 10.1038 / s43246-021-00208-0 (Acerca de los DOI).

Video cortesía del Instituto Italiano de Tecnología.

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