Imprimiendo un esqueleto flexible en 3D y añadiendo una cinta de hidrogel con células musculares, investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) han creado robots biológicos que avanzan por un líquido a velocidades sin precedentes. Estos biobots también reaccionan a estímulos eléctricos y ejercen fuerzas sorprendentes.
La llamada robótica blanda trata de imitar las acciones de los organismos vivos, como moverse o percibir el medio ambiente, usando materiales flexibles y ajustables capaces de adaptarse al entorno de forma eficiente.
Los científicos llevan años desarrollando robots biohíbridos o biobots, generalmente compuestos por tejido muscular (cardíaco o esquelético) y un esqueleto artificial, que pueden arrastrarse, agarrarse o nadar. El problema es que no alcanzan la movilidad y fuerza de un ser vivo.
Ahora, investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC) han superado esos dos retos desarrollando nuevos biobots, de poco más de un centímetro de longitud, que pueden nadar y deslizarse como peces a velocidades sin precedentes.
El avance, publicado en la revista Science Robotics, se ha logrado al sumar herramientas de bioingeniería y conocimientos de fisiología animal: un innovador esqueleto flexible que se imprime en 3D y la contracción espontánea de materiales basados en células musculares.
“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 autoentrenamiento con el esqueleto flexible impreso en 3D”, explica Samuel Sánchez, profesor ICREA que lidera esta investigación.
Mientras que la mayoría de los científicos 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 del polímero polidimetilsiloxano (PDMS). Primero fue diseñado y optimizado mediante simulaciones y luego generado con la impresora 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 fenómeno de autoentrenamiento permite una actuación mejorada y mayor fuerza de contracción del biobot. Estos esqueletos no se habían incluido antes en un sistema vivo de robótica blanda.
“La mayor fuerza, resultado del diseño que permite el autoentrenamiento, ha hecho que nuestros biobots sean los robots biohídridos nadadores más rápidos hasta la fecha, aumentando su velocidad en 791 veces (respecto a otros con células musculares)”, comenta Maria Guix, investigadora IBEC y primera autora del artículo. Son 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.
Según sus autores, este trabajo 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, esta tecnología también se podría aplicar para imprimir modelos en 3D con músculos humanos, generando bioplataformas donde probar medicamentos.
Referencia:
Maria Guix et al. “Biohybrid soft robots with self-stimulating skeletons”. Science Robotics, 2021
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