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Viernes, 2 diciembre 2016
Ciencia de los Materiales

Engranajes de vidrio metálico para robots

Los engranajes son esenciales para la robótica de precisión. Permiten que las extremidades giren de forma suave y que se detengan cuando se les ordena hacerlo; los engranajes de baja calidad provocan que las extremidades sufran tirones o tiemblen. Si estamos diseñando un robot para recoger muestras o agarrarse a un borde, el tipo de engranajes que necesitaremos no procederán del catálogo típico de una ferretería.

 

En el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA en Pasadena, California (Estados Unidos), el tecnólogo Douglas Hofmann y sus colaboradores están construyendo mejores engranajes, fabricados a partir de vidrio metálico masivo, una aleación especialmente diseñada con propiedades que la hacen ideal para la robótica.

 

Aunque los vidrios metálicos masivos han sido objeto de investigaciones desde hace algún tiempo, aprender cuáles son las mejores maneras de diseñarlos y utilizarlos en estructuras ha resultado ser algo bastante esquivo. Ahora, el equipo de Hofmann ha conseguido por fin realizar con éxito las pruebas necesarias con vidrios metálicos masivos, demostrando sus beneficios potenciales para las naves espaciales de la NASA. Estos materiales podrían ofrecer soluciones para la movilidad en entornos complicados, como en la luna Europa de Júpiter.

 

¿Cómo puede esta clase misteriosa de material ser tanto un metal como un vidrio? El secreto se halla en su estructura atómica. Los metales tienen una disposición cristalina organizada. Pero si los calentamos para convertirlos en un líquido, se funden y los átomos se sitúan de forma aleatoria. Si entonces los enfriamos lo bastante rápido (a unos 1.000 grados centígrados por segundo), podremos retenerlos en su forma “líquida”, no cristalina.

 

Esto produce una disposición aleatoria de los átomos, que adoptan una microestructura amorfa, o no cristalina. La nueva estructura proporciona a estos materiales sus nombres habituales: metales amorfos o vidrios metálicos.

 

Dado que es enfriado con tanta rapidez, el material es técnicamente un vidrio. Puede fluir fácilmente y ser moldeado mediante soplado al ser calentado, como se hace con el vidrio de las ventanas. Cuando este material vidrioso se produce en trozos mayores de 1 milímetro, se le llama vidrio metálico masivo.

 

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El vidrio metálico con el que trabajan en la NASA no se vuelve quebradizo en un ambiente de frío extremo. Eso lo hace un material perfecto para robots enviados que circulen por la superficie de planetas con temperaturas muy bajas. (Foto: NASA/JPL-Caltech)

 

Conviene tener en cuenta que, aunque en el lenguaje cotidiano, vidrio y cristal son lo mismo, sus estructuras (y propiedades) son en realidad muy diferentes. En el vidrio, a diferencia del cristal, la disposición de sus moléculas es irregular (amorfa).

 

¿Qué hace que estos engranajes sean perfectos para los viajes espaciales? Los vidrios metálicos masivos no se vuelven quebradizos en el frío extremo, evitando así el peligro de rotura de sus dientes. Esta última cualidad en particular resulta magnífica para el tipo de robótica que se hace en el JPL.

 

Los engranajes hechos a partir de vidrios metálicos masivos pueden trabajar "en seco" y a temperaturas glaciales: las pruebas iniciales han demostrado un buen funcionamiento sin lubricante, incluso a 200 grados centígrados bajo cero. Para robots que son enviados a parajes helados, eso puede ser una ventaja que ahorre energía. El robot marciano Curiosity de la NASA, por ejemplo, gasta energía calentando el lubricante de grasa cada vez que necesita moverse.

 

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