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(noticias nanowerk) El concepto de microrobots ha evolucionado significativamente desde que el físico Richard Feynman reconoció por primera vez el potencial de las máquinas diminutas en los años cincuenta. Los primeros prototipos de microrobots de cuerpo rígido enfrentaron desafíos importantes al navegar en entornos biológicos e industriales complejos sin causar daños. Esto condujo a un cambio decisivo hacia el desarrollo de microrobots blandos y deformables que utilizan materiales adaptables que son más compatibles con su entorno objetivo.
En los últimos años se ha visto una rápida innovación en el campo de la microrobots blandas, 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 los campos de la microingeniería, la ciencia de los materiales y la robótica y se acercan más a hacer realidad la visión de Feynman.
Un artículo de revisión actual en Sistemas inteligentes avanzados (“A Review of Soft Microrobots: Material, Fabrication, and Actuation”) examina los últimos avances en microrobots blandos, centrándose en la composición de sus materiales, métodos de fabricación y 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](https://www.nanowerk.com/news2/robotics/id64166_1.jpg)
Materiales: la base de la microrobótica blanda
El avance en la microrrobótica 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 sensibles.
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 tridimensionales. Estos sofisticados métodos de fabricación han permitido el desarrollo de microrobots con características complejas, que incluyen espacios de carga internos porosos para la administración de medicamentos, extremidades articuladas para movimientos precisos e incluso hélices helicoidales para nadar en medios viscosos.
![Combinación comúnmente utilizada entre materiales y procesos de fabricación.](https://www.nanowerk.com/news2/robotics/id64166_2.jpg)
Actuación y control: dando vida a los microrobots
El accionamiento y control de microrobots blandos ha experimentado importantes mejoras, con técnicas como la rotación de campos magnéticos que permiten el control remoto de dispositivos en entornos líquidos que recuerdan el movimiento de las bacterias. (También se han desarrollado hidrogeles con capacidades de actuación en el infrarrojo cercano, que permiten un control preciso de la forma y el movimiento de los microrobots.
Muchos biomateriales blandos recientemente creados tienen ahora propiedades ideales, desde la biodegradabilidad (descomposición lenta dentro del cuerpo) hasta la elasticidad ajustable y el comportamiento de cambio de forma en respuesta a la luz, la temperatura o 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 a arquitecturas móviles completamente tridimensionales con una complejidad sin precedentes, incluidos compartimentos de carga internos porosos, extremidades articuladas para agarrar objetos y hélices en forma de espiral para «nadar». .” ”a través de medios viscosos.
La fabricación 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, junto con técnicas de guía externa mejoradas, permiten el transporte, reposicionamiento y seguimiento de 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 en los fluidos y tejidos corporales densos. Los hidrogeles hechos a medida se someten a una “activación del infrarrojo cercano”, reduciéndose o expandiéndose según se desee cuando se bañan en longitudes de onda infrarrojas específicas.
A medida que las tecnologías de microrobots blandos avanzaron en múltiples frentes, los investigadores demostraron ser notablemente hábiles en coordinar su función para resolver problemas complejos. Las micromáquinas biodegradables cargadas de fármacos ahora pueden atacar el tejido enfermo antes de liberar agentes terapéuticos y disolverse de forma segura. Otros equipos unieron selectivamente bacterias a microesferas, creando sistemas biohíbridos que tienen componentes sintéticos y orgánicos trabajando juntos. Las aplicaciones incluyen de todo, desde microensamblaje de componentes electrónicos hasta raspado de contaminantes de objetos de valor envejecidos.
Pero algunas de las demostraciones más interesantes implican intervenciones médicas visionarias. Por ejemplo, los científicos han desarrollado microrobots sintéticos basados en microalgas que penetran profundamente en el tejido pulmonar de conejo infectado, liberando continuamente antibióticos que atacan bacterias dañinas que se reconocen a través de receptores peptídicos integrados. En una hora, más del 90% de la infección desapareció, en comparación con menos del 50% con medicamentos antibacterianos inyectados directamente. Al ajustar las tasas de administración de medicamentos y promover la penetración independiente 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 el número de las causas infecciosas de muerte más comunes en el mundo.
Otra investigación transformó microrobots en microherramientas celulares para apoyar activamente la reproducción de espermatozoides al agarrar células individuales con una precisión impresionante antes de liberarlas. Otros proyectos se refieren a dispositivos de remediación ambiental con autonomía energética cuya tarea es localizar y neutralizar las toxinas. Un estudio desarrolló microrobots blandos con nanopartículas de hierro que son capaces de descomponer potentes contaminantes del agua en subproductos inofensivos cuando se exponen a la luz visible. El pequeño tamaño de las máquinas miniaturizadas les permite penetrar zonas del suelo inaccesibles para dispositivos más grandes.
Los expertos creen que el campo se está acercando a un punto de inflexión en el que los laboratorios vivos pronto desarrollarán microrobots en líneas de pruebas reguladas, primero en animales y luego posiblemente en voluntarios humanos. Aunque originalmente estaban destinados a aplicaciones terapéuticas o de diagnóstico a corto plazo, los avances algún día podrían conducir a máquinas blandas multifuncionales capaces de monitorear con precisión biomarcadores y estimular procesos de curación durante semanas o más. Más tarde, los microrobots blandos optimizados podrían coordinar microoperaciones celulares complejas o realizar tareas redundantes en enjambres, sintetizando tejido nuevo o filtrando amenazas biológicas del medio ambiente como herramientas biodegradables.
En un enfoque novedoso, se integraron 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 de 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 avance significativo tanto en la medicina como en las aplicaciones ambientales. 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 procedimientos 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, particularmente en torno a la estandarización de los requisitos de seguridad a medida que la microrrobótica se expande más hacia los entornos comerciales y de atención médica. Los investigadores continúan desarrollando capacidades cada vez más diversas y autónomas, al tiempo que garantizan de manera proactiva que los protocolos éticos guíen las pruebas. Si tiene éxito, la suave microrrobótica promete abrir nuevas posibilidades en casi todas las disciplinas técnicas. La sociedad debe garantizar que los intereses de propiedad no impidan el acceso igualitario a lo que puede tener efectos profundos en el potencial humano.
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