Super soldados

A fines del año pasado, el Ejército de los EE. UU. Fue a comprar algunos uniformes nuevos. No le interesaban los monos de camuflaje y los tonos verde oliva, ni siquiera las mejores versiones del equipo de alta tecnología que usaban las tropas en Afganistán. Lo que el ejército quería era un uniforme de combate liviano capaz de detener balas y toxinas, monitorear la salud de un soldado, comunicarse con comandantes remotos e incluso permitir una fuerza sobrehumana. Pero a pesar de la extravagancia de esa visión, y aunque buscaban ayuda en las instituciones de investigación académica, los oficiales del ejército dejaron claro otro deseo clave. Como recuerda el científico de materiales del MIT, Edwin Thomas, no querían solo artículos en Ciencias o Naturaleza . Querían cosas reales.

Cosas reales es exactamente lo que los investigadores del MIT presentaron en enero pasado a un equipo militar visitante. El ingeniero mecánico Ian Hunter reprodujo un video de un trozo de cinta negra que se contraía, un músculo artificial que se expandía y contraía y que, con un uniforme de combate, podría formar un torniquete o aumentar la fuerza de las piernas. El científico de materiales Yoel Fink mostró algunos hilos ópticos brillantes capaces de reflejar y absorber diferentes longitudes de onda de luz con gran especificidad, una propiedad que podría explotarse para la comunicación infrarroja remota que podría, por ejemplo, permitir a los soldados identificarse silenciosamente con sus aliados durante la noche. Los miembros de la facultad explicaron el funcionamiento de un sensor microscópico que el químico del MIT Tim Swager había construido, de solo unas pocas moléculas de ancho, que podía olfatear el aliento de un soldado en busca de signos químicos de estrés.

Esta historia fue parte de nuestro número de octubre de 2002

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Fuerza

Un objetivo principal del nuevo instituto es crear un uniforme de combate que tenga fuerza incorporada: la fuerza para ayudar a un soldado a levantar objetos pesados, bombear fluidos refrigerantes a través de canales incrustados o endurecerse alrededor de una herida sangrante. La nerviosa cinta negra de Hunter es una indicación temprana de que los nanomateriales podrían ofrecer ese tipo de fuerza.

La cinta está hecha de un polímero electroactivo que puede moverse o cambiar de forma en respuesta a una señal eléctrica. Los investigadores han imaginado durante mucho tiempo el uso de estos polímeros, que pueden ser 100 veces más fuertes que los músculos humanos, como músculos artificiales. Pero hasta ahora, han demostrado ser poco prácticos como máquinas parecidas a músculos, en gran parte porque sus movimientos son relativamente lentos y también porque han podido contraerse o expandirse solo en un pequeño porcentaje de su longitud. El músculo humano puede contraerse y expandirse en un 20 por ciento.

En los laboratorios de Hunter y Swager, sin embargo, los investigadores han trabajado juntos recientemente para lograr grandes avances hacia un material con suficiente rango de movimiento para ser útil. La clave es una serie de moléculas que operan como varillas y bisagras. Girando sobre las bisagras, las varillas se repelen o se atraen entre sí cuando se aplica o se quita una carga. Al unir millones de estas varillas y bisagras de un extremo a otro como segmentos de una regla plegable, los investigadores pudieron crear polímeros que se alargan y acortan en respuesta a estímulos eléctricos. (ver Músculo molecular, a continuación) . Una película hecha de estos polímeros produce movimientos musculares. En los últimos meses, dice Hunter, hemos duplicado el rango de movimiento, acercándonos al de las células musculares humanas.

Músculo molecular

Un polímero que se contrae y expande tanto como el músculo humano utiliza bisagras y varillas moleculares. Las varillas se repelen y se atraen entre sí cuando se aplica una carga (arriba) y se quita (abajo). (Ilustración de John MacNeill)

Ese aumento en cuánto puede expandirse y contraerse el polímero, combinado con su impresionante fuerza, que los investigadores aún no han medido, pero predicen que será diez veces mayor que la del músculo humano, posiblemente podría permitir un uniforme de combate incrustado con 1.4 kilogramos del material. para levantar 80 kilogramos a un metro de altura. En otras palabras, un soldado podría levantar sin esfuerzo un equipo pesado o incluso un compañero caído. El problema: esto tomaría al menos un minuto, dice John Madden, ingeniero eléctrico de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, quien hasta hace poco dirigía la investigación de polímeros electroactivos en el laboratorio de Hunter.

Dar a estos polímeros electroactivos una velocidad útil es el próximo obstáculo. Requerirá reducir la resistencia eléctrica de los materiales, por lo que una carga aplicada puede hacer su trabajo más rápidamente. Los investigadores planean reducir la resistencia mediante la incorporación de nanotubos de carbono, moléculas largas en forma de tubería, en las generaciones futuras de los materiales. Ciertas versiones de nanotubos de carbono son excelentes conductores eléctricos que podrían entregar carga a todo el material mucho más rápidamente. Los grupos Hunter y Swager esperan fabricar músculos artificiales que sean tan rápidos como los músculos humanos en cinco años.

Integrar el material muscular con el resto del traje del soldado es el desafío más grande. Los polímeros electroactivos necesitan, por ejemplo, estar conectados a un sistema de señalización y distribución de energía; El cableado convencional es simplemente demasiado rígido para el trabajo de conectar un material que se retuerce y se dobla. Por eso, el año pasado, Hunter y sus compañeros de trabajo desarrollaron alambres en forma de cinta hechos de polímeros flexibles conductores de electricidad. En lugar de que los alambres de cobre rígidos entren en el tejido polimérico, 'tendremos alambres similares a los de un tejido que ingresen al tejido', dice Hunter.

Comunicación

Se necesitarán otras tecnologías para permitir que el traje se comunique con el mundo exterior. A principios de este año, Fink del MIT anunció el desarrollo de hilos de polímero recubiertos que podrían ser lo ideal, permitiendo una comunicación silenciosa con aliados o comandantes remotos mediante el uso de luz visible o infrarroja.

Los hilos de Fink son capaces de reflejar o absorber selectivamente diferentes longitudes de onda de luz, gracias a su revestimiento, que incorpora numerosas capas ultrafinas de dos materiales transparentes, uno orgánico y el otro inorgánico. Los dos materiales ralentizan la luz a diferentes velocidades. En el alboroto resultante de reflejos dentro de esas capas, algunas longitudes de onda se reflejan fuertemente fuera de la fibra y otras se cancelan. Las longitudes de onda que se reflejan depende del grosor de las capas, que pueden oscilar entre 100 y 1000 nanómetros y pueden controlarse con precisión.

Si bien la mayoría de los investigadores en fotónica están trabajando en chips y otros dispositivos para telecomunicaciones ópticas, el grupo de Fink es el primero en construir un hilo fotónico que podría convertirse en un textil, dice Eli Yablonovitch, ingeniero eléctrico de la Universidad de California, Los Ángeles, y pionero en materiales ópticos. Un posible uso para estos hilos: una parte de un uniforme de combate que refleja fuertemente una firma específica de luz infrarroja ambiental. Durante la confusión de un tiroteo nocturno, por ejemplo, un código de barras óptico de este tipo podría identificar a un soldado como amigo de sus compañeros de tropas equipados con gafas de visión nocturna sintonizadas con la luz reflejada correcta. Y al equipo de Fink también le gustaría idear una forma de ajustar estos materiales sobre la marcha, de modo que la longitud de onda pueda cambiarse eléctricamente (y de forma remota) en caso de que un enemigo tenga en sus manos un uniforme.

Esto presenta un desafío especial, dice Yablonovitch. Hay muchas soluciones. Simplemente no buenos. Tienen mucho trabajo por hacer para que sea práctico para el ejército, dice.

Por ahora, el grupo de Fink está avanzando con varios enfoques para hacer que las fibras ópticas sean sintonizables. Una estrategia consiste en crear una especie de rejilla de estiramiento que pueda tensar las fibras. La tensión adelgazaría las capas, cambiando la longitud de onda reflejada. (consulte Ajuste fino, a continuación) . Un segundo enfoque aprovecha el hecho de que uno de los materiales de las capas, el triselenuro de arsénico, ralentiza la luz a una velocidad diferente en presencia de un campo eléctrico; cambia el campo y cambia el reflejo de toda la fibra. Estos enfoques, dice Fink, podrían producir una fibra sintonizable en dos años.

Sintonia FINA

Una sección transversal muestra las capas externas de materiales ópticos que recubren un hilo de polímero. El grosor de las capas determina cómo se refleja la luz.

Antes: Si la longitud de onda es diferente del grosor de las capas, la luz puede atravesarla.

Después: Estirar el hilo podría adelgazar las capas para que su ancho coincida con la longitud de onda roja. En cada límite entre capas, se reflejaría algo de luz roja (línea discontinua) y algo continuaría.

Proteccion

Por supuesto, el trabajo principal del uniforme es proteger al soldado, y la capacidad de saltar del camino del peligro o de anunciarse en silencio a los aliados lo haría indirectamente. Pero la visión del ejército es la de un traje que también brindaría protección directa contra todo, desde las balas hasta el ántrax. La protección balística mejorada es principalmente teórica en este punto, pero ya se tienen a mano algunas herramientas muy reales contra ataques biológicos y químicos.

Una de estas tecnologías se basa en moléculas poliméricas altamente ramificadas llamadas dendrímeros. Al modificar los extremos de las ramas de un dendrímero para que cada una de ellas se adhiera a una molécula peligrosa y la vuelva inofensiva, los investigadores del ejército ya han creado una sustancia protectora con un gran poder de absorción para su peso. Pero hasta ahora, han podido usar la sustancia solo mezclándola en una crema similar a un bloqueador solar. El problema de agregar esta tecnología al traje de un soldado es que los dendrímeros no se adhieren fácilmente entre sí y, por lo tanto, son difíciles de formar en un material estable que resistiría el abuso de un campo de batalla y una lavadora.

Para ayudar a hacer un material más resistente, la ingeniera química del MIT Paula Hammond diseñó dendrímeros con colas. Estas colas, varias veces más largas que las ramas de los dendrímeros, tienden a enredarse entre sí, manteniendo las moléculas unidas sin impedir que las ramas hagan su trabajo. Es como un extenso sistema de raíces para un bosque de árboles moleculares y podría permitir que los dendrímeros anclados formen una película protectora resistente. Estas tecnologías están apenas en ciernes en este momento. Podemos tomarlos y comenzar a incorporarlos en telas y revestimientos, dice Hammond.

Los investigadores del MIT también están trabajando en tecnologías que podrían ayudar a monitorear la salud de un soldado de forma remota, independientemente de los peligros que pueda encontrar. Los sensores incorporados que detectan cambios en la química corporal, por ejemplo, podrían ayudar a determinar si un soldado caído está gravemente herido o puede esperar ayuda. Dichos sensores tendrían que ser extremadamente sensibles pero también robustos y fáciles de operar.

Y Swager ha dado un buen primer paso. Utilizando polímeros especialmente diseñados como detector, Swager ha desarrollado recientemente un dispositivo para detectar concentraciones de óxido nítrico, una sustancia química presente en el aliento humano. El óxido nítrico aumenta cuando el cuerpo está estresado. (ver Sensing Health, más abajo) . Tomado solo, una medición de óxido nítrico puede no contar toda la historia, pero el sensor es un primer elemento que podría ser parte de las formas de evaluar el estado fisiológico del soldado, dice Swager.

Sensibilidad de la salud

Un sensor que utiliza un polímero conductor de electricidad podría detectar directamente las concentraciones de óxido nítrico en el aliento de un soldado. Los átomos de cobalto del polímero se unen y liberan moléculas de óxido nítrico, lo que provoca fluctuaciones en la resistencia del polímero, que se encuentra entre los electrodos. (Ilustración de John MacNeill)

El detector de óxido nítrico utiliza cables de polímero nanoscópicos capaces de conducir electricidad. Cuando el óxido nítrico se une al polímero, produce un cambio en la resistencia eléctrica que se puede detectar fácilmente. Además, las moléculas de óxido nítrico se caen rápidamente del sensor, lo que le da al dispositivo la capacidad de proporcionar mediciones continuas de la concentración de la sustancia química.

Aunque hoy es solo un prototipo, el dispositivo de Swager podría eventualmente incorporarse en una máscara o en la tela de un traje de soldado para detectar otras sustancias químicas, como hidrocarburos y cetonas, que pueden ser indicadores de estrés o enfermedad, o para detectar agentes biológicos y químicos.

Integración

Incluso mientras Swager y los otros investigadores del instituto continúan produciendo nuevos materiales y dispositivos, ya están pensando en cuál será en última instancia su mayor desafío: hacer que todos sus inventos funcionen juntos en un traje de producción masiva. Será un problema de sistemas e integración que nunca antes habíamos visto, dice Swager.

Ahí es donde DuPont podría ayudar. La empresa tiene décadas de experiencia en el desarrollo de materiales ultrarresistentes como el Kevlar, que se utiliza para chalecos antibalas. Ahora ayudará a crear nuevos procesos para integrar varios nanomateriales en un tejido. Un problema: no todos los polímeros son compatibles. No son iguales y no se comportan igual, dice Wayne Marsh, director de investigación de DuPont Central Research and Development en Wilmington, DE. Algunos están hechos de manera muy diferente; el mismo proceso podría degradar un polímero mientras forma otro. Reconciliar estas diferencias requerirá ajustar la química de los polímeros o agregar recubrimientos para protegerlos entre sí. Considerándolo todo, esto es realmente algo de vanguardia, dice Thomas. Es como Jack Kilby de Texas Instruments a principios de la década de 1950, pensando en hacer solo decenas o cientos de transistores en un solo chip de silicio. Tienes que decir: '¿Cómo haríamos eso?'

Los altos mandos del ejército y la comunidad médica civil tienen grandes esperanzas de que Thomas y sus colegas del MIT encuentren la respuesta, descubriendo no solo cómo perfeccionar nuevos materiales y dispositivos, sino también cómo unirlos con resultados revolucionarios. Pero son realistas. No sé si todo esto va a producir lo que quiero, cuando quiero, y hacerlo a un precio asequible, dice Andrews del ejército.

Por supuesto, el nuevo instituto no producirá el uniforme de combate integrado completo en cinco años. En cambio, el éxito en esa escala de tiempo significará un chaleco antibalas mucho más liviano o un material óptico resistente amigo o enemigo, dice Thomas. Una medida del éxito será si hemos conseguido la atención y la confianza de la gente del ejército para creer en el uso de la nanotecnología para el soldado individual, dice. El gran éxito será si realmente ponemos algo tangible en las manos de un soldado. No será fácil. Pero dada la ventaja del instituto en el desarrollo de materiales, el Ejército de los EE. UU. Tiene al menos una oportunidad de luchar para obtener el uniforme que busca.

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