24 de noviembre de 2023 (Noticias de Nanowerk) La microrrobótica ha avanzado rápidamente en los últimos años, permitiendo a los científicos construir máquinas minúsculas capaces de penetrar entornos de difícil acceso desde el interior del cuerpo humano hasta sitios de desechos contaminados. Impulsar estos pequeños robots requiere soluciones inteligentes, ya que su pequeño tamaño significa que operan en un ámbito dominado por la viscosidad en lugar de la inercia. Un enfoque popular utiliza la compresión y rarefacción repetidas de burbujas de aire inducidas por ondas acústicas para producir flujos de microcorriente que pueden impulsar el movimiento robótico. Sin embargo, la fragilidad de las burbujas individuales y la producción limitada de fuerza han limitado su adopción generalizada. Los investigadores llevan mucho tiempo recurriendo a la biología en busca de inspiración para los robots. Ahora, un equipo de la Universidad de Twente dirigido por Sarthak Misra se inspira en el mundo de la acústica. metamateriales para crear un nuevo y potente diseño de microrobot con propulsión acústica. Su enfoque bioinspirado podría abrir nuevas posibilidades para implementar microrobots en muestreo biológico, medicina clínica, remediación ambiental y más. El equipo informó sus hallazgos en Sistemas inteligentes avanzados (“Flujo accionado acústicamente en microrobots impulsados ​​por burbujas resonantes axisimétricas”). a) Micrografía del microrobot inspirado en un metamaterial acústico propuesto que muestra la disposición de las cavidades, con b) vista lateral del microrobot con las cavidades constituyentes que atrapan burbujas de gas (recuadro). c) Esquema que representa el microrobot sumergido en la configuración de caracterización acústica que comprende un tanque acrílico grande (300 mm x 200 mm x 100 mm) con un espacio de trabajo circular designado y un transductor de ultrasonido sumergible (frecuencia central 110 kHz, diámetro de sección transversal 60 mm, PA1954, Acústica de Precisión, Reino Unido). La barra de escala es de 100 μm. Vista superior del microrobot: d) esquema que muestra los anillos que conectan las cavidades; e) Vista de nanoescritura del microrobot durante su fabricación. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag)

Burbujas como bloques de construcción de metamateriales

Los metamateriales manipulan las ondas sonoras o la luz de formas no convencionales repitiendo elementos estructurales, conocidos como celdas unitarias, en patrones periódicos. Esta arquitectura interna que se repite periódicamente interactúa con las ondas incidentes para producir propiedades asombrosas como un índice de refracción negativo. Al distribuir muchas burbujas en una matriz organizada, los científicos se dieron cuenta de que podían crear metamateriales acústicos con características acústicas únicas. La investigación sobre estos “metamateriales de burbujas” se aceleró tras su demostración para aplicaciones exóticas como el enmascaramiento del sonido submarino. Sin embargo, casi todos los diseños hasta la fecha utilizan burbujas relativamente grandes, de más de 300 µm de diámetro. Los científicos han tenido dificultades para producir metamateriales acústicos funcionales con microburbujas de menos de 100 µm a pesar de su posible utilidad. El equipo de UTwente se preguntó si podrían aprovechar los principios de los metamateriales acústicos de microburbujas no sólo para el encubrimiento acústico sino también para mejorar el diseño de robots a microescala. Su nuevo microrobot distribuye 18 microburbujas resonantes de 100 µm de longitud, que actúan como células unitarias metamateriales, en un patrón axisimétrico 3D. A pesar del desafío de ingeniería que supone microfabricar una estructura de este tipo, esta arquitectura ofrece ventajas significativas.

Más burbujas, más flujo

En los microrobots, las burbujas tienen un doble propósito: motores a bordo y propulsores. Las microburbujas individuales oscilan poderosamente cuando son estimuladas por ondas acústicas entrantes en su frecuencia de resonancia, creando un fuerte flujo local conocido como microstreaming. Sin embargo, por debajo de unos 300 µm de diámetro, la viscosidad limita gravemente la oscilación de la burbuja. Esto limita la fuerza motriz disponible, lo que requiere una estimulación acústica de alta intensidad que corre el riesgo de producir efectos biológicos perjudiciales. Afortunadamente, lo que les falta a las microburbujas en la generación de fuerza individual lo compensan con el trabajo en equipo. El grupo de Twente se dio cuenta de que un diseño colectivo organizado impulsa el flujo neto de fluidos más allá de la suma de las contribuciones de las burbujas constituyentes. Al superponer coherentemente las oscilaciones de múltiples microburbujas, crean efectos de microcorriente significativamente mejorados capaces de impulsar la propulsión y manipulación robótica. Mientras que los diseños de microbots anteriores colocaban solo unas pocas burbujas en patrones lineales o radiales suaves, la arquitectura axisimétrica 3D inspirada en metamateriales del equipo que contiene 18 burbujas en simetría periódica permite flujos de transmisión más fuertes a lo largo de un eje central utilizando ultrasonido de menor intensidad. Los experimentos de rastreo de partículas revelaron un aumento de casi el 80% en la velocidad máxima de microtransmisión en comparación con su microrobot de 6 burbujas anterior en las mismas condiciones acústicas. Esto sugiere que el diseño de la burbuja colectiva aprovecha mejor la energía acústica disponible.

Reingeniería de microrobots como sistemas macroscópicos

En lugar de miniaturizar aún más, como es la tendencia predominante en la microrrobótica, los investigadores optaron por ampliar su diseño. La fabricación del robot mediante impresión 3D con escritura láser directa de alta resolución permite incorporar características estructurales sutiles, como rincones de reentrada que estabilizan pasivamente las burbujas sin un procesamiento químico especial de la superficie. Fundamentalmente, ampliar la estructura general a una escala de 0.5 mm hace que sea mucho más sencillo de manejar e implementar que los diseños típicos a escala de micras. Contraintuitivamente, crecer abre nuevas posibilidades. A pesar de tener 18 microburbujas cada una de 100 µm de largo como componentes funcionales, la plataforma de escala milimétrica se comporta esencialmente como un sistema robótico a macroescala. Sin embargo, conserva todas las ventajas de rendimiento inherentes a las microburbujas en comparación con las burbujas más grandes, especialmente la capacidad de oscilar a altas frecuencias en respuesta a ultrasonidos de alta frecuencia. Esta estrategia híbrida con lo mejor de ambos mundos podría convertirse en un nuevo paradigma en la ingeniería de microrrobótica.

Poner a trabajar microrobots altamente ágiles

Para demostrar las capacidades de su milibot accionado acústicamente, los investigadores mostraron cómo puede utilizar la succión inducida por transmisión para atraer y eliminar desechos. Esta funcionalidad de levitación y limpieza podría ser valiosa para tareas de muestreo biológico o eliminación de desechos en espacios confinados o de difícil acceso. Cuando se activan a frecuencias de ultrasonido específicas de alrededor de 65-70 kHz, los flujos periódicos de microcorriente generan suficiente fuerza para que el microrobot se oriente verticalmente y flote de manera constante. El cambio de frecuencias modula su movimiento, lo que permite el transporte a distancias superiores a 10 veces el diámetro del robot. Aprovechando estos flujos de transmisión fuertes pero controlables con precisión, el robot puede atraer micropartículas y células vivas cercanas, filtrándolas en su canal interno. Luego expulsa los desechos acumulados lejos de la superficie. Con un mayor desarrollo, estos milibots accionados acústicamente podrían ofrecer una funcionalidad de extracción y filtración sin contacto más allá de los actuales dispositivos de tamizado a microescala. Su capacidad de flotar permite el acceso a través de elaborados terrenos en 3D. Esto podría ser invaluable para tomar muestras de tejido o biofluidos en grietas dentro del cuerpo humano para biopsias o análisis de laboratorio en un chip. También los adapta para la circulación dentro de dispositivos microfluídicos complejos para dirigir y manipular dinámicamente flujos y partículas. Fuera de los contextos biológicos, los equipos de robots desplegados en masa pueden resultar útiles para los esfuerzos de remediación ambiental, ya que pueden filtrarse a través de espacios porosos contaminados en los suelos para adsorber contaminantes químicos o transportar perlas infundidas con enzimas para catalizar la degradación de desechos. Su versatilidad, junto con su control y potencia acústica simples, los hace muy adecuados para operar en entornos remotos o peligrosos donde la intervención humana directa es inviable.

Impactos más amplios

Al crear microrobots con nuevas capacidades y al mismo tiempo facilitar la producción y el manejo, la investigación del equipo de Twente muestra los méritos de aplicar los principios de los metamateriales acústicos de formas no convencionales. Su reutilización creativa del paradigma de disposición ordenada de burbujas introduce nuevas ideas para la microrrobótica y la microfluídica. Esto demuestra que la hibridación de componentes a microescala con plataformas más grandes puede mejorar notablemente el rendimiento del sistema. Esto pone patas arriba la suposición común de que la miniaturización es intrínsecamente superior. Además, la adopción de un esquema de fabricación simplificado que no requiere modificaciones químicas extensas de la superficie ni piezas móviles a nanoescala hace que la adopción de la nueva tecnología sea mucho más accesible. Al mostrar que la funcionalidad a microescala no tiene por qué equivaler a construcciones a microescala, allanan el camino para que los ingenieros con herramientas comunes de creación rápida de prototipos, como impresoras 3D, participen en la creación de la próxima generación de microrobots con propulsión acústica. La utilidad demostrada de los robots para el muestreo biológico y la eliminación de desechos presagia aplicaciones potenciales en dispositivos de laboratorio en un chip para diagnóstico en el lugar de atención, eliminación de toxinas y control de calidad de microfluidos adecuados incluso para contextos de recursos limitados y economías en desarrollo. Aunque aún queda un desarrollo significativo antes de que estos microrobots lleguen a la clínica o al campo, el estudio constituye un primer paso importante hacia la habilitación de soluciones microrrobóticas del mundo real para la medicina, la protección del medio ambiente y más.

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• Fuente: https://www.nanowerk.com/news2/robotics/newsid=64110.php