Investigadores crean diminutos robots que se mueven gracias a los ultrasonidos
Investigadores de ETH Zurich han desarrollado un diminuto robot que imita el movimiento de la larva de estrella de mar. Se impulsa con ondas sonoras y está equipado con diminutos cilios que dirigen el fluido a su alrededor, como ocurre en su modelo natural. En el futuro, estos micronadadores podrían administrar medicamentos a células enfermas con una precisión muy alta.
Los microrrobots llevan mucho tiempo atrayendo a numerosos investigadores. Estas tecnologías podrían acabar ofreciendo muchas aplicaciones, incluidas varias funciones útiles en la sanidad. Con frecuencia se mencionan cosas como la administración dirigida de fármacos y los procedimientos microquirúrgicos.
La movilidad es una de las mayores cuestiones que plantean este tipo de tecnologías. En particular, cómo pueden lograr los robotistas que los diminutos dispositivos se muevan sin baterías ni otras tecnologías a bordo. Los imanes son una propuesta bastante habitual, pero el equipo de ETH Zurich estudia una solución completamente distinta: los ultrasonidos.
Se crearon robots más pequeños que un cabello humano mediante fotolitografía. Están recubiertos con versiones sintéticas de los cilios que cubren las larvas de estrella de mar. En el ejemplo biológico, estas estructuras ultrafinas parecidas a pelos agitan el agua circundante con patrones que generan pequeños remolinos, impulsando a las larvas de estrella de mar a través del fluido. En realidad, el sistema empuja el agua o la atrae.
«A primera vista, los microrrobots se parecen poco a la larva de estrella de mar. En su fase larvaria, la estrella de mar tiene un cuerpo lobulado de apenas unos pocos milímetros de diámetro. Mientras tanto, el microrrobot es un rectángulo diez veces más pequeño, de solo una cuarta parte de milímetro de diámetro. Pero tienen una característica importante: una serie de finos pelos móviles en la superficie, llamados cilios», explicaron los investigadores.
Estos cilios fueron el elemento clave del diseño del nuevo microrrobot, desarrollado por investigadores de ETH liderados por Daniel Ahmed, profesor de robótica acústica para las ciencias de la vida y la sanidad. «Al principio solo queríamos comprobar si podíamos crear remolinos similares a los de las larvas de estrella de mar, con filas de cilios inclinadas entre sí o en direcciones distintas», explicó Ahmed.
«La larva de estrella de mar está cubierta por cientos de miles de estos pelos. Dispuestos en filas, se mueven de forma coordinada hacia delante y hacia atrás, creando remolinos en el agua circundante. La orientación relativa de las dos filas determina el resultado final: la inclinación de las dos bandas de latido de los cilios una hacia la otra crea un remolino con efecto de empuje, que impulsa a la larva. Por el contrario, separar las dos bandas crea un remolino que atrae el fluido y captura las partículas de las que se alimenta la larva», señalaron en ETH Zurich.
El equipo afirma que logró generar una fuerza impulsora similar en sus diminutos robots, aplicando ondas ultrasónicas que les permiten nadar en línea recta. Los objetos que se ven alrededor del robot en las fotografías y vídeos proporcionados por los científicos son microesferas de plástico añadidas al agua para demostrar cómo se mueve alrededor del robot.
En su laboratorio, los investigadores demostraron que los microrrobots pueden nadar en línea recta a través de un líquido, como el agua. Añadir diminutas bolitas de plástico al agua permitió visualizar los remolinos. El resultado es sorprendente: la larva de estrella de mar y los dispositivos generan un patrón de flujo prácticamente idéntico.
Después, los investigadores dispusieron los haces de cilios de manera que el remolino de succión quedara junto al remolino de empuje, imitando la técnica de alimentación que usa la larva de estrella de mar. Esta disposición permitió a los robots recoger partículas y enviarlas en una dirección determinada.
Ahmed está convencido de que este nuevo tipo de microrrobots estará listo para su uso en medicina en un futuro previsible. Esto se debe a que un sistema basado únicamente en ultrasonidos tiene ventajas decisivas: las ondas ultrasónicas ya se usan ampliamente para obtener imágenes, penetran profundamente en el cuerpo y no suponen un riesgo para la salud.
«Nuestra visión es usar los ultrasonidos para el movimiento, la obtención de imágenes y la administración de fármacos»
El hecho de que esta terapia solo requiera un dispositivo de ultrasonidos la hace barata y, por tanto, adecuada para su uso tanto en países desarrollados como en vías de desarrollo.
La administración de fármacos es la aplicación más debatida en este caso, en particular la posibilidad de llevar un medicamento directamente a un lugar concreto, como un tumor de estómago. Esto podría permitir un uso más eficaz y reducir los posibles efectos secundarios. La distribución de los fármacos convencionales por difusión es ineficiente.
«Pero antes de que esta visión pueda hacerse realidad, todavía queda por superar un problema grave: la generación de imágenes. Para guiar las diminutas máquinas hasta el lugar correcto, es necesario que se genere una imagen nítida en tiempo real. Los investigadores planean hacer los microrrobots más visibles añadiendo sustancias de contraste, como las que ya se usan en la imagen médica por ultrasonidos», explicaron los investigadores.
Además de las aplicaciones médicas, Ahmed espera que este diseño inspirado en las estrellas de mar sea importante para manipular volúmenes mínimos de líquido en la investigación y en la industria. Las bandas de latido de los cilios pueden realizar tareas como mezclar, bombear y capturar partículas.
