El campo de la robótica tiene como objetivo parecerse a aquello lo que las entidades biológicas naturales han logrado a lo largo de milenios de evolución: acciones como moverse, percibir y adaptarse al medio. Más allá de los robots rígidos tradicionales, el campo de la “robótica blanda” ha surgido recientemente utilizando materiales flexibles y ajustables capaces de adaptarse a su entorno de manera más eficiente. Con este objetivo en mente, los científicos llevan años trabajando en los llamados robots biohíbridos o biobots, generalmente compuestos por tejido muscular, ya sea cardíaco o esquelético, y un esqueleto artificial, logrando robots vivos que se arrastran, agarran o nadan. Desafortunadamente, los biobots actuales estaban lejos de emular la capacidad de los organismos naturales en términos de movilidad y fuerza.
Ahora, investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), liderados por el profesor de investigación ICREA Samuel Sánchez, han superado ambos desafíos logrando un gran avance en el campo de los biobots mediante el uso de herramientas de bioingeniería. Sánchez y sus colaboradores del IBEC han aplicado la bioimpresión 3D y el diseño de ingeniería para el desarrollo de biobots, de poco más de un centímetro de longitud, que pueden nadar y deslizarse como peces, alcanzando velocidades sin precedentes. La clave: utilizar la contracción espontánea de materiales basados en células musculares, juntamente con un esqueleto innovador y flexible.
Auto-entrenamiento de los Biobots del IBEC usando un esqueleto innovador desarrollado con bioingeniería
Los BIOBOTS que hemos diseñado están compuestos por células musculares que se mueven como gusanos o peces, reaccionan a estímulos eléctricos y ejercen fuerzas y velocidades sorprendentes gracias a su auto-entrenamiento con el esqueleto flexible impreso en 3D.
Samuel Sánchez, Profesor de Investigación ICREA en IBEC
Mientras que la mayoría de los investigadores suelen trabajar con esqueletos rígidos o anclados para preparar robots artificiales, los investigadores del IBEC utilizaron robots biológicos basados en un resorte en forma de serpentín flexible hecho de un polímero llamado PDMS, que primero fue diseñado y optimizado mediante simulaciones y, más tarde, impreso con tecnología 3D. La ventaja de este innovador esqueleto radica en la mejora del entrenamiento y desarrollo del tejido a través de la autoestimulación mecánica sobre las contracciones espontáneas, lo que crea un bucle de retroalimentación debido a la fuerza restauradora del resorte. Este evento de auto-entrenamiento da lugar a una actuación mejorada y a una mayor fuerza de contracción del biobot. Este tipo de esqueletos no se habían incluido antes en un sistema vivo de robótica blanda.
Los Biobots del IBEC nadan a una velocidad sin precedentes y se deslizan como peces
La mayor fuerza, resultado del diseño que permite el auto-entrenamiento, ha hecho que nuestros biobots sean los robots biohídridos nadadores más rápidos hasta la fecha, aumentando su velocidad en 791 veces.
Maria Guix, Investigadora IBEC y primera autora del artículo
Además de la capacidad de «auto-entrenamiento», este nadador biohíbrido basado en células de músculo esquelético desarrollado por los investigadores del IBEC, se mueve a velocidades 791 veces más rápidas que los biobots basados en células musculares conocidos hasta la fecha, y comparables con otros nadadores biológicos basados en cardiomiocitos (células cardíacas).
Pero esta nueva generación de biobots también puede realizar otros movimientos: son capaces de deslizarse cuando se colocaron cerca de la superficie del fondo acuático, asemejándose al estilo de natación de ciertos peces cerca de superficies, como el comportamiento de ráfaga intermitente de los peces cebra, caracterizado por movimientos esporádicos seguido de fases de inercia.
El trabajo de Sánchez, Guix y colaboradores del IBEC abre las puertas a una nueva generación de robots biológicos más fuertes y rápidos basados en células musculares, con aplicaciones potenciales tanto para fines ambientales y de administración de fármacos, como para el desarrollo de prótesis biónicas. En el campo biomédico, la posibilidad de imprimir tales modelos musculares en 3D con músculos humanos, ofrece la oportunidad de utilizar esta tecnología en plataformas médicas para testar fármacos.
Artículo de referencia: Maria Guix, Rafael Mestre, Tania Patiño, Marco De Corato, Judith Fuentes, Giulia Zarpellon and Samuel Sánchez. Biohybrid soft robots with self-stimulating skeletons. Science Robotics, 2021,DOI 10.1126/scirobotics.abe7577
Contacto para más información: alopez@ibecbarcelona.eu
