El velcro es un ingenioso cierre de gancho y bucle inspirado en la naturaleza, concretamente en los espolones. Ahora, científicos del Instituto Italiano de Tecnología le devuelven el favor. Han creado el primer velcro biodegradable -inspirado en las plantas trepadoras- y lo han utilizado para construir pequeños dispositivos que ayuden a controlar la salud de las plantas de cultivo y a suministrar pesticidas y medicinas cuando sea necesario, según un artículo publicado en noviembre en la revista Communications Materials.
El creador del Velcro fue un ingeniero suizo llamado George de Mestral, que combinó su amor por la invención con su pasión por la naturaleza. Tras terminar sus estudios, aceptó un trabajo en el taller de maquinaria de una empresa de ingeniería suiza. En 1948, de Mestral se tomó dos semanas de vacaciones para ir a cazar aves de caza. Mientras practicaba el senderismo con su pointer irlandés en las montañas del Jura, se vio acosado por los abrojos (semillas de bardana), que se pegaban implacablemente tanto a su ropa como a la piel de su perro.
Era tan difícil desenredar las tenaces vainas de las semillas que de Mestral se sintió intrigado por cómo estaban construidas y examinó algunas bajo el microscopio. Se dio cuenta de que el exterior de cada abrojo estaba cubierto de cientos de diminutos ganchos que se agarraban a los bucles de hilo, o en el caso del perro, al pelaje. Y esto le dio una idea para un cierre similar hecho por el hombre.
La mayoría de los expertos en tejidos y telas con los que se entrevistó en Lyon (Francia) -entonces el centro mundial de la industria de la tejeduría- se mostraron escépticos de que la idea pudiera funcionar. Pero un tejedor compartía el amor por la invención de De Mestral. Trabajando en un pequeño telar a mano, consiguió tejer dos cintas de algodón que se abrochaban con la misma fuerza que lo hacían los espinos. 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 dólares para perfeccionar el concepto y crear su propia empresa para fabricar sus nuevos cierres de gancho y bucle.
Introducido oficialmente en 1960, el velcro no tuvo un éxito inmediato, aunque la NASA lo encontró útil para meter y sacar a los astronautas de los voluminosos trajes espaciales. Con el tiempo, los fabricantes de ropa infantil y deportiva se dieron cuenta de las posibilidades que ofrecía, y la empresa no tardó en vender más de 60 millones de metros de Velcro al año, lo que convirtió a de Mestral en multimillonario. Murió en 1990 y fue incluido en el Salón Nacional de la Fama de los Inventores nueve años después.
El velcro, que suele ser de nailon, se utiliza en zapatillas de deporte, mochilas, carteras, chaquetas, correas de reloj, manguitos para la tensión arterial y juguetes como tableros de dardos para niños. Incluso ayudó a mantener unido un corazón humano durante el primer trasplante de corazón artificial. La “pegajosidad” se debe a su estructura: si se examinan con un microscopio las dos tiras de un cierre de Velcro, se verá que una de ellas contiene bucles microscópicos, mientras que la otra tiene diminutos ganchos que se enganchan a los bucles para sujetarse con seguridad.
La coautora Isabella Fiorello y sus colegas estaban interesados en desarrollar nuevas tecnologías innovadoras para el seguimiento de las plantas in situ con el fin de detectar enfermedades, así como para suministrar diversas sustancias a las plantas. Sin embargo, pocos dispositivos de este tipo pueden fijarse directamente a las hojas de las plantas sin dañarlas. Las mejores opciones actuales son los sensores fijados con colas químicas o con clips. También se están desarrollando parches basados en microagujas capaces de penetrar en las hojas para detectar enfermedades.
Fiorello et al. encontraron la inspiración en la planta de catchweed común (Galium aparine). Puede formar densas y enmarañadas alfombras en el suelo y, aunque las plantas pueden crecer hasta 1,80 metros, no pueden mantenerse en pie por sí solas y deben utilizar otras plantas como soporte. Para ello, las plantas de catchweed se basan en un “mecanismo único de anclaje parecido a un trinquete parasitario para trepar por las plantas huésped, utilizando ganchos microscópicos para entrelazarse mecánicamente a 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 -incluyendo materiales fotosensibles y biodegradables hechos de una sustancia similar al azúcar conocida como isomalt. Sus reproducciones artificiales demostraron ser muy capaces de adherirse a muchas especies de plantas diferentes, al igual que sus homólogos naturales.
Como aplicación inicial, el equipo diseñó un dispositivo que pudiera penetrar en la cutícula de una planta con una invasión mínima, lo que permitiría vigilar la planta y tratarla, si fuera necesario. Los microganchos de isomalt se adhieren al sistema vascular de las hojas y luego se disuelven en su interior, ya que el isomalt es soluble.
Los experimentos de Fiorello et al. demostraron que sus microganchos artificiales pueden utilizarse como un yeso para la liberación dirigida y controlada de pesticidas, bactericidas o productos farmacéuticos en las hojas. Esto reduciría en gran medida la necesidad de aplicar ampliamente los pesticidas. Y como el yeso se disuelve una vez aplicado, no hay residuos adicionales.
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 permitieran el control inalámbrico de la salud de la planta. Los clips se adhieren a 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 un máximo de 50 días. Los dispositivos podrían utilizarse para aplicaciones botánicas a pequeña escala, o podrían ampliarse. Por ejemplo, los agricultores podrían distribuir muchos dispositivos de este tipo para cartografiar y vigilar mejor amplias zonas de cultivo, según los autores.
Por último, Fiorello et al. desarrollaron un sistema micro-robótico capaz de desplazarse por la superficie de las hojas mediante micropasos, copiando el movimiento de trinquete de la planta catchweed. Mecanismos de accionamiento similares han sido demostrados anteriormente en el SpinyBot de la Universidad de Stanford, capaz de escalar superficies duras y planas gracias a una serie de espinas en miniatura en sus pies, y en los robots CLASH de la Universidad de California, Berkeley, capaces de trepar por superficies de tela suspendidas y sueltas, como las cortinas.
El microrobot IIC se basa en un actuador multifásico de fluidos suaves, accionado a distancia por ciclos de encendido y apagado de un láser casi infrarrojo. “Hasta donde sabemos, se trata de la primera prueba de concepto de una máquina inspirada en una planta capaz de realizar un anclaje dinámico reversible en forma de trinquete sobre una hoja”, escriben los autores, aunque su robot blando es puramente de demostración. Hay que superar muchos obstáculos para que este tipo de dispositivos puedan funcionar en entornos naturales, como maniobrar a través de la densa vegetación en condiciones meteorológicas variables.
“Nuestros estudios comienzan siempre observando la naturaleza, buscando replicar las estrategias empleadas por los seres vivos a través de tecnologías robóticas de bajo impacto ambiental”, dijo Barbara Mazzolai, directora asociada de robótica del IIT, que dirige el Laboratorio de Robótica Blanda Bioinspirada del IIT. “Con este último proyecto de investigación, hemos demostrado además que es posible crear soluciones innovadoras que no sólo tienen como objetivo vigilar la salud de nuestro planeta, en particular de las plantas, sino hacerlo sin alterarlo.”
DOI: Communications Materials, 2021. 10.1038/s43246-021-00208-0.
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Michael Rojas
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