El robot biohíbrido «gatea» utilizando los músculos extraídos de la boca de una babosa.

El robot combina los tejidos de una babosa de mar de California con piezas flexibles impresas en 3D

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Al combinar los tejidos de una babosa con piezas flexibles impresas en 3D, los investigadores crearon un «biohíbrido» que se arrastra como una tortuga marina por la playa, aunque muy lentamente.

Un músculo en la boca del caracol ayuda al robot a moverse, que actualmente está controlado por un campo eléctrico externo. Las iteraciones futuras del dispositivo incluirán ganglios linfáticos (haces de neuronas y nervios que normalmente conducen señales a los músculos a medida que la babosa se alimenta) como un controlador orgánico.

Los investigadores también manipularon el colágeno de la piel del caracol para construir un «andamio» orgánico que se probará en futuras versiones del robot.

El equipo de la Universidad Case Western Reserve eligió la babosa marina porque el animal puede hacer frente a cambios sustanciales de temperatura y salinidad a medida que las mareas del Océano Pacífico cambian su entorno entre aguas profundas y piscinas poco profundas. En comparación con los músculos de los mamíferos y las aves, que requieren entornos estrictamente controlados para funcionar, los caracoles son mucho más adaptables.

En el futuro, enjambres de robots biohíbridos podrían buscar la fuente de una fuga tóxica en un estanque, dijeron los científicos. O podría buscar en el fondo del océano una grabadora de datos de vuelo de caja negra, un proceso potencialmente largo que podría dejar a los robots actuales solos con las baterías agotadas.

«Estamos construyendo una máquina viviente, un robot biohíbrido que no es completamente orgánico, todavía», dijo Victoria Webster, estudiante de doctorado que dirige la investigación.

Webster trabajó con Roger Quinn, Arthur Armington, profesor de ingeniería y director del Laboratorio de Robótica de Inspiración Biológica en Case Western Reserve.

Al combinar materiales de la babosa marina de California, Aplysia californica, con piezas impresas en tres dimensiones, «creamos un robot que puede realizar tareas diferentes a las que podría realizar un animal o un robot puramente artificial», dijo Quinn.

Para las tareas de búsqueda, «queremos que los robots sean compatibles, que interactúen con el entorno», agregó Webster. «Uno de los problemas de la robótica tradicional, especialmente a pequeña escala, es que los actuadores, las unidades que proporcionan movimiento, tienden a ser rígidos».

Además, las células musculares llevan su propia fuente de combustible; nutrientes del medio ambiente que los rodea. Debido a que son blandos, son más seguros para las operaciones que los actuadores con tuercas y pernos y tienen una relación potencia / peso mucho más alta.

Inicialmente, los investigadores intentaron usar células musculares, pero cambiaron el uso de todo el músculo en la boca o en la boca. Al integrar el músculo con su estructura natural, se vuelve «cientos a 1000 veces mejor».

En los primeros robots del equipo, el músculo bucal, que naturalmente tiene dos «brazos», está conectado a los brazos y al cuerpo polimérico impreso por los robots. El robot se mueve cuando el músculo bucal se contrae y se suelta, balanceando los brazos hacia adelante y hacia atrás. En las primeras pruebas, el robot se disparó a unos 0,4 centímetros por minuto.

Para controlar el movimiento, los científicos utilizan los ganglios del animal. Pueden usar estímulos químicos o eléctricos para inducir a los nervios a contraer músculos.

«Con los ganglios linfáticos, el músculo es capaz de realizar movimientos mucho más complejos en comparación con el control artificial y es capaz de aprender», dijo Webster.

El equipo espera entrenar a los nodos para que muevan el robot hacia adelante en respuesta a una señal y hacia atrás en respuesta a una segunda. También se está preparando para probar versiones orgánicas, así como nuevas geometrías corporales, diseñadas para producir un movimiento más eficiente.

Si los robots completamente orgánicos funcionan, dijeron los investigadores, un enjambre liberado en el mar o en un estanque o en un terreno distante no será demasiado preocupante si no se pueden recuperar. Es probable que sea económico y no contamine el sitio con metales y productos químicos para baterías, sino que se consuma o se degrade en abono.

Webster discutirá la explotación del caracol marino para materiales y la construcción del híbrido, que mide un poco menos de 2 pulgadas de largo, en la conferencia Living Machines en Edimburgo esta semana. El equipo de investigación también incluyó a Hillel Chiel, profesor de biología, Ozan Akkus, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial y director del Laboratorio de Mecanobiología y Fabricación de Tissue de CWRU, Umut Gurkan, Jefe del Laboratorio de Biofabricación y Microfabricación de CWRU, y los investigadores universitarios Emma Hawley y Jill Patel y Katherine Chapin, graduada de maestría.

Sin embargo, no son los primeros investigadores en desarrollar y probar el potencial de los coches biohíbridos. El parque Sung-Jin de la Universidad de Harvard construyó recientemente un robot de tejido blando en miniatura con cualidades y eficiencia similares a las de una mantarraya.

Su equipo creó esqueletos de oro «cargados» que imitan la forma de la mantarraya. Luego se recubrieron con una fina capa de polímero estirado. A lo largo de la punta del rayo robótico, los investigadores colocaron células musculares de ratas, conocidas como cardiomiocitos. Cuando se estimulan, los cardiomiocitos contraen sus alas hacia abajo.

Cada una de estas células fue diseñada genéticamente para responder a la luz, y esto significaba que los investigadores podían controlar el movimiento del robot usando destellos y señales de luz. Los investigadores demostraron que se pueden usar pulsos de luz asimétricos para girar el robot hacia la izquierda o la derecha, y se pueden usar diferentes frecuencias de luz para controlar su velocidad, como se demuestra en una serie de videos.

El método funciona lo suficientemente bien como para guiar al robot a través de una carrera de obstáculos básica. La mantarraya robótica, que contiene alrededor de 200.000 cardiomiocitos, mide 16 milímetros de largo y pesa solo 10 gramos.

Los peces batoides, que incluyen arañazos, son reconocidos instantáneamente por sus cuerpos planos y aletas largas en forma de alas que se extienden desde los extremos.

Estas aletas se mueven de tal manera que generan el mayor movimiento utilizando la menor cantidad de energía posible. Estas olas de bajo consumo emulan desde las alas delanteras hasta las traseras, lo que permite que los barcos se deslicen con gracia por el agua.

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