04 de diciembre de 2023 (Noticias de Nanowerk) El concepto de microrobots ha evolucionado significativamente desde que el físico Richard Feynman imaginó por primera vez el potencial de las máquinas diminutas en los años cincuenta. Los primeros prototipos de microrobots, con sus cuerpos rígidos, enfrentaron desafíos sustanciales al navegar en entornos biológicos e industriales complejos sin causar daños. Esto condujo a un cambio fundamental hacia el desarrollo de microrobots blandos y deformables que utilizan materiales adaptables que son más compatibles con sus entornos objetivo. En los últimos años, el campo de la microrobots blandas ha experimentado una rápida innovación, particularmente en las áreas conocidas como “las tres piedras angulares de los microrobots blandos”: materiales, fabricación y actuación. Estos desarrollos han sido impulsados ​​por la colaboración interdisciplinaria en microingeniería, ciencia de materiales y robótica, acercándose a la realización de la visión de Feynman. Un artículo de revisión reciente en Sistemas inteligentes avanzados (“Una revisión de los microrobots blandos: material, fabricación y
Actuación”) profundiza en los últimos avances en microrrobótica blanda, centrándose en la composición de sus materiales, los métodos de fabricación y las técnicas de actuación, que en conjunto dan forma a su funcionalidad y eficacia. Tres pilares (material, fabricación y actuación), categorías y aplicaciones de microrobots blandos. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) (haga clic en la imagen para ampliarla)

Materiales: la base de la microrrobótica blanda

El avance en la microrobótica blanda depende en gran medida del desarrollo de biomateriales blandos que posean propiedades ideales como biodegradabilidad, elasticidad ajustable y capacidad de respuesta a estímulos ambientales como la luz, la temperatura o los productos químicos. Estos materiales incluyen polímeros e hidrogeles avanzados que pueden cambiar de forma o comportamiento en respuesta a condiciones específicas, lo que los hace ideales para tareas complejas en entornos delicados.

Técnicas de fabricación: sofisticación artesanal

Los avances en técnicas de fabricación, como la litografía de dos fotones, han permitido la transición de microrobots planos de una sola capa a estructuras móviles totalmente en 3D. Estos sofisticados métodos de fabricación han facilitado la creación de microrobots con características complejas, que incluyen compartimentos de carga internos porosos para la entrega de medicamentos, extremidades articuladas para movimientos precisos e incluso hélices helicoidales para nadar en medios viscosos. Colocación de uso común entre materiales y métodos de fabricación. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag)

Actuación y control: dando vida a los microrobots

La actuación y el control de microrobots blandos han experimentado mejoras significativas, con técnicas como campos magnéticos giratorios que permiten la dirección remota de dispositivos en entornos fluidos que recuerdan al movimiento bacteriano. (Hidrogeles También se han desarrollado capacidades de actuación en el infrarrojo cercano, lo que permite un control preciso sobre la forma y el movimiento de los microrobots. Muchos biomateriales blandos recientemente creados poseen ahora propiedades ideales, desde la biodegradabilidad (descomponerse lentamente dentro de los cuerpos) hasta la elasticidad ajustable y comportamientos de transformación de formas que responden a la luz, la temperatura o los estímulos químicos. La litografía de dos fotones y otros métodos de fabricación a microescala también facilitaron la transición de microrobots planos de una sola capa hacia arquitecturas móviles totalmente 3D con una complejidad nunca antes vista, incluidas bahías de carga internas porosas, extremidades articuladas para agarrar objetos y hélices helicoidales para "nadar". ”a través de medios viscosos. La creación de piezas móviles tan complejas basadas en polímeros amplió exponencialmente las capacidades de los microrobots blandos manteniendo al mismo tiempo una huella diminuta submilimétrica. Estos avances de hardware se combinan con técnicas de guía externa mejoradas para transportar, reposicionar y rastrear microrobots blandos en tiempo real. Los campos magnéticos giratorios ahora pueden dirigir de forma remota dispositivos a lo largo de trayectorias que recuerdan a las bacterias dentro de tejidos y fluidos corporales densos. Los hidrogeles hechos a medida se someten a una "actuación por infrarrojo cercano", encogiéndose o estirándose según se desee cuando se bañan en longitudes de onda infrarrojas específicas. Con las tecnologías de microrobots blandos madurando en múltiples frentes, los investigadores demostraron ser notablemente hábiles en coordinar su función para resolver problemas complejos. Las micromáquinas biodegradables cargadas de medicamentos ahora pueden apuntar al tejido enfermo, antes de liberar cargas terapéuticas y disolverse de manera segura. Otros equipos unieron selectivamente bacterias a microperlas creando sistemas biohíbridos que aprovechan componentes sintéticos y orgánicos trabajando al unísono. Las aplicaciones abarcan todo, desde microensamblaje de componentes electrónicos hasta raspado de contaminantes de objetos de valor envejecidos. Sin embargo, algunas de las demostraciones más interesantes implican intervenciones médicas visionarias. Por ejemplo, un científico creó microrobots sintéticos basados ​​en microalgas que penetran profundamente en el tejido pulmonar de conejo infectado mientras liberan constantemente antibióticos personalizados contra bacterias dañinas detectadas a través de receptores peptídicos integrados. En una hora, más del 90% de la infección desapareció, frente a menos del 50% con los fármacos antibacterianos inyectados directamente. Al adaptar las tasas de dispensación de medicamentos y favorecer la penetración autoalimentada a través de las delicadas membranas que separan las vías respiratorias, se hizo posible un tratamiento increíblemente eficiente de la neumonía. Los resultados prometen cambiar radicalmente la principal causa de muerte infecciosa en el mundo. Otra investigación convirtió a los microrobots en microherramientas celulares para ayudar activamente a la reproducción de los espermatozoides, agarrando células individuales con una precisión impresionante antes de liberarlas. Proyectos adicionales exploran remediadores ambientales autopropulsados ​​encargados de localizar y neutralizar toxinas. Un estudio creó microrobots blandos con nanopartículas de hierro incrustadas capaces de degradar potentes contaminantes del agua en subproductos inofensivos cuando se exponen a la luz visible. El pequeño tamaño de las máquinas miniaturizadas les permite penetrar áreas del suelo inaccesibles para dispositivos más grandes. Los expertos sugieren que el campo se acerca a un punto de inflexión en el que los laboratorios vivos pronto graduarán microrobots para realizar pruebas reguladas, primero en animales y luego, potencialmente, en voluntarios humanos. Aunque inicialmente estaban destinados a aplicaciones terapéuticas o de diagnóstico a corto plazo, los avances podrían algún día producir máquinas blandas multifuncionales capaces de monitorear íntimamente los biomarcadores y estimular los procesos de curación durante semanas o más. Más adelante, los microrobots blandos optimizados podrían coordinar microcirugías celulares complejas o ejecutar tareas redundantes en enjambres como herramientas biodegradables que sinteticen nuevos tejidos o filtren peligros biológicos ambientales. En un enfoque novedoso, se han integrado organismos vivos como espermatozoides, glóbulos rojos, bacterias y neutrófilos en microrobots blandos. Estos microrobots biohíbridos combinan las capacidades naturales de detección y propulsión de los organismos vivos con el control y la funcionalidad proporcionados por componentes artificiales. Esta integración ha demostrado ser eficaz para tareas como la administración dirigida de fármacos y la navegación en entornos biológicos complejos. Los microrobots blandos representan un importante avance tanto en aplicaciones médicas como medioambientales. En medicina, prometen procedimientos más localizados y menos invasivos, incluida la administración dirigida de fármacos, el trasplante de células, la cirugía no invasiva y los procesos de diagnóstico. En el sector medioambiental, ofrecen soluciones innovadoras de remediación y seguimiento. Sin embargo, a medida que las aplicaciones se vuelven más complejas, las discusiones permanecen abiertas en varios frentes, en particular la estandarización de los requisitos de seguridad a medida que la robótica a microescala realiza una transición más íntima a entornos comerciales y de atención médica. Los investigadores continúan desarrollando una funcionalidad cada vez más multifacética y autónoma, al tiempo que garantizan de manera proactiva que los protocolos éticos guíen las pruebas. Si tiene éxito, la microrrobótica blanda promete desbloquear nuevas posibilidades en casi todas las disciplinas técnicas.

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• Fuente: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=64166.php