Robots Biohíbridos Construidos A Partir De Tejido Vivo Comienzan A Tomar Forma

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Para hacer los trabajos en que los robots de "tuercas y tornillos" no son buenos, los ingenieros están creando máquinas de vida suave impulsadas por células musculares.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. La publicación contribuyó con el artículo a WordsSideKick.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.

Piensa en un robot tradicional y probablemente imagines algo hecho de metal y plástico. Tales robots de "tuercas y tornillos" están hechos de materiales duros. A medida que los robots asumen más roles más allá del laboratorio, tales sistemas rígidos pueden presentar riesgos de seguridad para las personas con las que interactúan. Por ejemplo, si un robot industrial se balancea en una persona, existe el riesgo de que se produzcan contusiones o daños en los huesos.

Los investigadores buscan cada vez más soluciones para hacer que los robots sean más suaves o más compatibles, menos como máquinas rígidas, más como animales. Con los actuadores tradicionales, como los motores, esto puede significar usar músculos del aire o agregar resortes en paralelo con los motores. Por ejemplo, en un robot Whegs, tener un resorte entre un motor y la pata de la rueda (Wheg) significa que si el robot se topa con algo (como una persona), el resorte absorbe parte de la energía para que la persona no se lastime. El parachoques en un robot aspirador Roomba es otro ejemplo; tiene un resorte para que el Roomba no dañe las cosas con las que se topa.

Pero hay un área creciente de investigación que está tomando un enfoque diferente. Al combinar la robótica con la ingeniería de tejidos, comenzamos a construir robots impulsados ​​por células o tejido muscular vivo. Estos dispositivos pueden ser estimulados eléctricamente o con luz para hacer que las células se contraigan para doblar sus esqueletos, haciendo que el robot nade o se arrastre. Los biobots resultantes pueden moverse y son suaves como los animales. Son más seguros con las personas y, por lo general, menos dañinos para el medio ambiente en los que trabajan que lo que podría ser un robot tradicional. Y dado que, como los animales, necesitan nutrientes para alimentar sus músculos, no baterías, los robots biohíbridos también tienden a ser más ligeros.

Biobots de ingeniería tisular sobre moldes de titanio.

Biobots de ingeniería tisular sobre moldes de titanio.

Crédito: Karaghen Hudson y Sung-Jin Park, CC BY-ND

Construyendo un biobot

Los investigadores fabrican biobots mediante el crecimiento de células vivas, generalmente del corazón o músculo esquelético de ratas o pollos, en andamios que no son tóxicos para las células. Si el sustrato es un polímero, el dispositivo creado es un robot biohíbrido, un híbrido entre materiales naturales y hechos por el hombre.

Si solo colocas células en un esqueleto moldeado sin ninguna guía, terminan en orientaciones aleatorias. Eso significa que cuando los investigadores aplican la electricidad para hacer que se muevan, las fuerzas de contracción de las células se aplicarán en todas las direcciones, haciendo que el dispositivo sea ineficiente en el mejor de los casos.

Entonces, para aprovechar mejor el poder de las células, los investigadores recurren a la micropatternación. Estampamos o imprimimos líneas de microescala en el esqueleto hecho de sustancias a las que las células prefieren adherirse. Estas líneas guían las celdas para que, a medida que crecen, se alineen a lo largo del patrón impreso. Con las células alineadas, los investigadores pueden dirigir cómo se aplica su fuerza de contracción al sustrato. Así que en lugar de solo un lío de celdas de disparo, todos pueden trabajar al unísono para mover una pierna o aleta del dispositivo.

Rayo robótico suave de ingeniería tisular que se controla con luz.

Rayo robótico suave de ingeniería tisular que se controla con luz.

Crédito: Karaghen Hudson y Michael Rosnach, CC BY-ND

Robots biohíbridos inspirados en animales.

Más allá de una amplia gama de robots biohíbridos, los investigadores incluso han creado algunos robots completamente orgánicos que utilizan materiales naturales, como el colágeno en la piel, en lugar de polímeros para el cuerpo del dispositivo. Algunos pueden gatear o nadar cuando son estimulados por un campo eléctrico. Algunos se inspiran en las técnicas de ingeniería de tejidos médicos y usan brazos rectangulares largos (o voladizos) para empujarse hacia adelante.

Otros han tomado sus señales de la naturaleza, creando biohíbridos de inspiración biológica. Por ejemplo, un grupo liderado por investigadores del Instituto de Tecnología de California desarrolló un robot biohíbrido inspirado en medusas. Este dispositivo, al que llaman medusoide, tiene brazos dispuestos en un círculo. Cada brazo está micropateado con líneas de proteínas para que las células crezcan en patrones similares a los músculos de una medusa viva. Cuando las células se contraen, los brazos se doblan hacia adentro, impulsando al robot biohíbrido hacia adelante en un líquido rico en nutrientes.

Más recientemente, los investigadores han demostrado cómo dirigir sus creaciones biohíbridas. Un grupo de Harvard utilizó células del corazón modificadas genéticamente para hacer nadar a un robot con forma de manta de rayos biológicos. Las células del corazón se alteraron para contraerse en respuesta a frecuencias específicas de la luz: un lado del rayo tenía células que respondían a una frecuencia, las células del otro lado respondían a otra.

Cuando los investigadores iluminaron la parte frontal del robot, las células se contrajeron y enviaron señales eléctricas a las células a lo largo del cuerpo de la manta de rayos. La contracción se propagaría por el cuerpo del robot, moviendo el dispositivo hacia adelante. Los investigadores podrían hacer que el robot gire hacia la derecha o hacia la izquierda variando la frecuencia de la luz que utilizaron. Si arrojaran más luz de la frecuencia a la que responderían las células de un lado, las contracciones de ese lado de la manta raya serían más fuertes, lo que permitiría a los investigadores dirigir el movimiento del robot.

Endurecer los biobots.

Si bien se han realizado interesantes desarrollos en el campo de la robótica biohíbrida, aún queda mucho trabajo por hacer para que los dispositivos salgan del laboratorio. Los dispositivos actualmente tienen vidas útiles limitadas y salidas de baja fuerza, lo que limita su velocidad y capacidad para completar tareas. Los robots fabricados a partir de células de mamíferos o aves son muy exigentes con sus condiciones ambientales.Por ejemplo, la temperatura ambiente debe estar cerca de la temperatura corporal biológica y las células requieren una alimentación regular con un líquido rico en nutrientes. Un posible remedio es empaquetar los dispositivos para que el músculo esté protegido del ambiente externo y constantemente bañado en nutrientes.

Robot biohíbrido inspirado en las tortugas marinas, impulsado por músculo de la babosa marina.

Robot biohíbrido inspirado en las tortugas marinas, impulsado por músculo de la babosa marina.

Crédito: Dr. Andrew Horchler, CC BY-ND

Hemos podido utilizar Aplysia Tejido para activar un robot biohíbrido, lo que sugiere que podemos fabricar biobots más resistentes utilizando estos tejidos elásticos. Los dispositivos son lo suficientemente grandes para transportar una pequeña carga útil: aproximadamente 1.5 pulgadas de largo y una pulgada de ancho.

Un desafío adicional en el desarrollo de biobots es que actualmente los dispositivos carecen de cualquier tipo de sistema de control a bordo. En su lugar, los ingenieros los controlan a través de campos eléctricos externos o luz. Para desarrollar dispositivos biohíbridos completamente autónomos, necesitaremos controladores que interactúen directamente con el músculo y proporcionen entradas sensoriales al propio robot biohíbrido. Una posibilidad es usar neuronas o grupos de neuronas llamadas ganglios como controladores orgánicos.

Esa es otra razón por la que estamos entusiasmados con el uso Aplysia en nuestro laboratorio Esta babosa de mar ha sido un sistema modelo para la investigación neurobiológica durante décadas. Ya se sabe mucho acerca de las relaciones entre su sistema neural y sus músculos, lo que abre la posibilidad de que podamos usar sus neuronas como controladores orgánicos que podrían decirle al robot qué forma de moverse y ayudarlo a realizar tareas, como encontrar toxinas o seguirlas. una luz

Mientras que el campo aún está en su infancia, los investigadores visualizan muchas aplicaciones interesantes para los robots biohíbridos. Por ejemplo, nuestros pequeños dispositivos que utilizan tejido de babosas podrían ser liberados como enjambres en los suministros de agua o en el océano para buscar toxinas o tuberías con fugas. Debido a la biocompatibilidad de los dispositivos, si se descomponen o son devorados por la vida silvestre, estos sensores ambientales teóricamente no supondrían la misma amenaza para el medio ambiente que los robots tradicionales de tuercas y tornillos.

Un día, los dispositivos podrían fabricarse a partir de células humanas y usarse para aplicaciones médicas. Los biobots podrían proporcionar un suministro de medicamentos dirigido, limpiar coágulos o servir como endoprótesis compatibles. Al utilizar sustratos orgánicos en lugar de polímeros, dichos stents podrían usarse para fortalecer los vasos sanguíneos débiles para prevenir los aneurismas, y con el tiempo el dispositivo se remodelaría e integraría en el cuerpo. Más allá de los robots biohíbridos a pequeña escala que se están desarrollando actualmente, las investigaciones en curso en ingeniería de tejidos, como los intentos de hacer crecer sistemas vasculares, pueden abrir la posibilidad de que crezcan robots a gran escala accionados por músculos.

Victoria Webster, Ph.D. Candidato en Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad Case Western Reserve

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el artículo original. Siga todos los temas y debates de Expert Voices, y forme parte de la discusión, en Facebook, Twitter y Google +. Las opiniones expresadas son las del autor y no necesariamente reflejan las opiniones del editor. Esta versión del artículo se publicó originalmente en WordsSideKick.com.


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