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Algunos ingenieros se inspiran en la mecánica del vuelo de las aves y la arquitectura de los nidos de abejas. Otros piensan en algo mucho más pequeño.
Un equipo dirigido por Mingming Wu, catedrático de ingeniería biológica y medioambiental de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida de la Universidad de Cornell, ha creado robots del tamaño de una célula que pueden ser impulsados y dirigidos por ondas de ultrasonido. A pesar de su diminuto tamaño, estos microrrobots nadadores -cuyos movimientos se inspiran en las bacterias y los espermatozoides- podrían convertirse algún día en una nueva y formidable herramienta para la administración selectiva de fármacos.
El artículo del equipo, "Biologically Inspired Micro-Robotic Swimmers Remotely Controlled by Ultrasound Waves", se publicó el 22 de septiembre en Lab on a Chip, una publicación de la Royal Society of Chemistry.
El autor principal del artículo es el antiguo investigador postdoctoral Tao Luo.
Durante más de una década, el laboratorio de Wu ha investigado el modo en que los microorganismos, desde las bacterias hasta las células cancerosas, migran y se comunican con su entorno. El objetivo final era crear un microrobot controlado a distancia que pudiera navegar por el cuerpo humano.
"Hoy en día podemos hacer aviones que son mejores que los pájaros. Pero a la escala más pequeña, hay muchas situaciones que la naturaleza hace mucho mejor que nosotros. Las bacterias, por ejemplo, han tenido miles de millones de años de evolución para perfeccionar su forma de hacer las cosas", dijo Wu. "Eso nos llevó a pensar que podemos diseñar algo similar. Si se puede enviar la medicina a una zona específica, como las células cancerosas, no habrá tantos efectos secundarios".
Entre sus atributos más ingeniosos están el hecho de que las bacterias pueden nadar 10 veces su longitud corporal en un segundo y que los espermatozoides pueden nadar a contracorriente, dijo Wu.
El equipo de investigación de Wu intentó inicialmente diseñar e imprimir en 3D un microrobot que imitara la forma en que las bacterias utilizan el flagelo para impulsarse. Sin embargo, al igual que los primeros aviadores, cuyos engorrosos aviones eran demasiado parecidos a un pájaro para volar, ese esfuerzo fracasó. Cuando Luo se unió al laboratorio de Wu, empezaron a explorar un enfoque menos literal. El principal obstáculo era cómo alimentarlo. Al igual que una persona debe arrastrarse antes de poder caminar, un microrobot necesita recibir energía antes de poder nadar.
"Las bacterias y los espermatozoides consumen básicamente la materia orgánica del fluido que los rodea, y eso es suficiente para alimentarlos", explica Wu. "Pero para los robots de ingeniería es difícil, porque si llevan una batería, es demasiado pesada para que se muevan".
El equipo dio con la idea de utilizar ondas sonoras de alta frecuencia. Como los ultrasonidos son silenciosos, pueden utilizarse fácilmente en un laboratorio experimental. Además, la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE.UU. ha considerado que esta tecnología es segura para los estudios clínicos.
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| Científicos de la Universidad de Cornell han creado robots nadadores del tamaño de una célula que pueden ser dirigidos por ondas de ultrasonido. Crédito: Universidad de Cornell |
Sin embargo, el equipo se quedó perplejo con el proceso de fabricación. En colaboración con la Cornell NanoScale Science and Technology Facility (CNF), Luo trató de crear un prototipo con fotolitografía, pero el proceso requería mucho tiempo y los resultados eran inservibles.
El proyecto recibió un impulso crucial cuando la CNF adquirió un nuevo sistema de litografía láser llamado NanoScribe, que crea nanoestructuras en 3D escribiendo directamente sobre una resina fotosensible. Esta tecnología permitió a los investigadores modificar fácilmente sus diseños a escala micrométrica y producir rápidamente nuevas iteraciones.
En seis meses, Luo había creado un nadador micro-robótico triangular que parece un insecto cruzado con un cohete. La característica más importante del nadador es un par de cavidades grabadas en su espalda. Como su material de resina es hidrofóbico, cuando el robot se sumerge en una solución, una pequeña burbuja de aire queda automáticamente atrapada en cada cavidad. Cuando un transductor de ultrasonidos apunta al robot, la burbuja de aire oscila, generando vórtices -también conocidos como flujo- que impulsan al nadador hacia adelante.
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| Científicos de la Universidad de Cornell han creado robots nadadores del tamaño de una célula que pueden ser dirigidos por ondas de ultrasonido. Crédito: UNIVERSIDAD DE CORNELL |
Otros ingenieros ya habían construido nadadores de "una sola burbuja", pero los investigadores de Cornell son los primeros que han creado una versión que utiliza dos burbujas, cada una con una abertura de diferente diámetro en su respectiva cavidad. Variando la frecuencia de resonancia de las ondas sonoras, los investigadores pueden excitar cualquiera de las dos burbujas -o sintonizarlas-, controlando así la dirección en la que se impulsa el nadador.
El reto será hacer que los nadadores sean biocompatibles, para que puedan navegar entre células sanguíneas de su mismo tamaño. Los futuros micronadadores también tendrán que estar hechos de material biodegradable, para que se puedan enviar muchos robots a la vez. De la misma manera que para la fecundación se necesita un solo espermatozoide, el volumen es clave.
"Para el suministro de fármacos, se podría tener un grupo de nadadores micro-robóticos, y si uno fallara durante el viaje, no sería un problema. Así es como sobrevive la naturaleza", dijo Wu. "En cierto modo, es un sistema más robusto. Más pequeño no significa más débil. Un grupo de ellos es imbatible. Creo que estas herramientas inspiradas en la naturaleza suelen ser más sostenibles, porque la naturaleza ha demostrado que funciona."
Fuentes, créditos y referencias:
Tao Luo et al, Biologically inspired micro-robotic swimmers remotely controlled by ultrasound waves, Lab on a Chip (2021). DOI: 10.1039/D1LC00575H
Imagen: Una imagen de microscopio electrónico de barrido muestra un nadador robótico del tamaño de una célula que puede ser impulsado y dirigido por ondas de ultrasonido. Crédito: Universidad de Cornell