Un equipo formado por investigadores de la Universidad de Califo ia, Berkeley, la Universidad Dartmouth College y la Universidad Duke han demostrado cómo utilizar una sola señal eléctrica para ordenar a un grupo de microrobots que se autoensamblen en estructuras más grandes. Los investigadores esperan usar este método para construir tejidos biológicos. Sin embargo, para que los microrobots empiecen a hacer algo, los investigadores primero deben encontrar una buena manera de controlarlos.
"Cuando las cosas son muy pequeñas, tienden a permanecer juntas", explica Jason Gorman, investigador de robótica en la División de Sistemas Inteligentes del NIST, quien coorganiza un concurso anual de microrrobótica que atrae a grupos de todo el mundo. "Muchos de los métodos de locomoción que se han desarrollado se centran en la superación o aprovechamiento de esta adhesión."
Hasta muy recientemente, la mayoría de los métodos de control han implicado empujar y tirar de las minúsculas máquinas mediante campos magnéticos. Este enfoque ha permitido acercarse a la cara de una moneda de diez centavos empujando objetos pequeños o nadar a lo largo de los vasos sanguíneos. Sin embargo, estos sistemas generalmente requieren componentes especializados o complejas instalaciones de bobinas para generar el campo electromagnético, y conseguir que los robots lleven a cabo una tarea específica puede ser difícil.
Bruce Donald, profesor de ingeniería informática y de bioquímica en la Universidad Duke, tomó un enfoque diferente, desarrollando un microrobot que responde al potencial electrostático y que se alimenta del voltaje recibido a través de una superfície electrizada. Recientemente, Donald y otros han demostrado que son capaces de controlar un grupo de estos microrobots para crear formas de gran tamaño. Esto lo consiguen adaptando ligeramente el diseño de cada robot para que cada uno responda al mismo valor de tensión con una acción diferente, dando lugar a comportamientos complejos cuando se considera todo el enjambre.
"Una buena analogía es que disponemos de varios vehículos de control remoto, pero sólo de un transmisor", explica Igor Paprotny, un científico de postdoctorado en la UC Berkeley y uno de los principales investigadores de este trabajo, que presentó la semana pasada en una conferencia en la Universidad de Harvard. Durante su presentación, Paprotny pasó entre la audiencia un recipiente que contenía una placa del tamaño de una uña. En ella había más de 100 microrobots.
"Lo que hacemos es cambiar ligeramente la forma en que las ruedas dan vueltas," comenta Paprotny. "Se pueden diseñar dispositivos sencillos con un comportamiento bastante simple para que se comporten de forma ligeramente diferente cuando se aplica una señal de control global. Esto permite un conjunto de comportamientos muy complejo. "Los robots contienen un actuador llamado una unidad cero, que actúa en respuesta a la tensión suministrada a través de la matriz electrizada. Cuando libera tensión, el grupo avanza hacia adelante, en un movimiento similar al de un gusano. Sin embargo, la clave del comportamiento variable de los robots es el brazo que se extiende de los actuadores. El brazo de dirección de un microrobot baja y se clava en respuesta a una cierta cantidad de tensión, arrastrándose por la superficie y provocando que el robot gire. Clavando y levantando el brazo una o dos veces por segundo, el equipo puede controlar cuánto gira un robot específico. Para controlar un enjambre, el equipo diseñó cada robot con un brazo que reacciona de manera diferente a diferentes valores de la señal de tensión. Unos algoritmos por ordenador varían la secuencia de tensión, provocando que los robots se muevan de manera compleja.
n"Los robots electrostáticos tienen la ventaja de que se les suministra la energía a través de un conjunto de electrodos situados en la parte inferior de cada uno de ellos," señala Gorman. "Esto puede ocupar muy poco espacio. De esta forma, los microrobots electrostáticos pueden ser embebidos dentro de otras cosas [como chips de ordenador]. Para los robots magnéticos, se requiere crear un campo electromagnético, lo cual requiere una instalación mayor. " Otros han trabajado en la creación de microrobots electrostáticos, añade Gorman, pero este trabajo supone un avance mayor.
"Su investigación está muy avanzada en cuanto al control de múltiples microrobots", afirma Zoltan Nagy, experto en robótica del ETH Zürich, quien trabaja con grupos de robots controlados magnéticamente llamados Magmites.
"La mayoría de los trabajos hasta la fecha han permitido el control de un único robot que puede moverse en un área predefinida de un substrato", añade Gorman. "Sin embargo, muchas de las aplicaciones de interés requieren el control de muchos robots, como si se tratara de una colonia de hormigas."
Hasta el momento, Paprotny ha sido capaz de controlar hasta cuatro robots a la vez en una misma superficie, y los robots pueden recorrer varios miles de veces la longitud de su cuerpo por segundo, según se detalla en un artículo que actualmente está sometido a revisión. Su próximo plan es adaptar la instalación para que funcione en medios líquidos para que los microrobots puedan ensamblar componentes de tejidos biológicos en patrones que imiten a la naturaleza.
"Estamos tratando de desarrollar nuevas formas de autoensamblado de unidades de tejido", comenta Ali Khademhosseini, profesor asociado del Hospital Brigham y de Mujeres de la Escuela de Medicina de Harvard y especialista en ingeniería de tejidos que está colaborando con Paprotny. "En el cuerpo, los tejidos se producen de una forma jerárquica—las unidades se repiten una y otra vez para generar estructuras más grandes de tejido." El tejido muscular, por ejemplo, está constituido por fibras pequeñas, mientras que el tejido del hígado tiene una forma hexagonal repetida.
Khademhosseini ha encerrado células en un hidrogel gelatinoso y las ha ensamblado (utilizando métodos que incluyen interacciones líquido-aire y tensiones superficiales) en las diferentes regiones para imitar los tejidos biológicos. Sin embargo, el profesor piensa que los microrobots autoensambladores permitirán un mayor control en la creación de los tejidos.
"Podemos tratar de combinar las células y los materiales en sistemas de microfabricación para desarrollar nuevas estructuras y montarlas de diferentes formas utilizando las técnicas que Igor ha desarrollado", señala Khademhosseini.
Khademhosseini prevé la fabricación de los geles y las células sobre equipos de robots que trabajan en paralelo para la construcción de diferentes partes de un tejido. "Podemos utilizar los robots para hacer el montaje," afirma el profesor. "Las células, una vez que son ensambladas, se desprenden de los robots, permitiendo que se reorganicen más para fabricar elementos indistinguibles de los tejidos naturales." Inicialmente, Khademhosseini espera crear pequeños parches de tejido del corazón, y más adelante otras cosas como músculos y válvulas del corazón, y en algún momento juntarlo todo para crear un corazón. "Ésta es la dirección que siguen las cosas", afirma Khademhosseini. "Sin embargo, en este momento el reto todavía es que no somos muy buenos en la fabricación de cada uno de estos componentes individuales."