26/Feb/09

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TR10: Máquinas biológicas

Las interfaces novedosas de Michel Maharbiz entre máquinas y sistemas vivientes podrían dar lugar a una nueva generación de dispositivos cyborg

Escarabajo Cyborg: Al equipar a un escarabajo
de flores gigante con un procesador e implantarle
electrodos para transmitirle impulsos eléctricos
al cerebro y a los músculos de las alas,
los científicos han creado una máquina viviente
cuyo vuelo puede controlarse en forma inalámbrica.

Un escarabajo de flores gigante revolotea, vira hacia arriba y hacia abajo, hacia la izquierda y a la derecha. Pero el insecto no es una plaga, y no está decidiendo su propia trayectoria. Un receptor implantado, un microcontrolador, una microbatería y seis electrodos cuidadosamente conectados (una carga útil más pequeña que una moneda de 10 centavos de dólar (17,9 mm) y con un peso menor al de un chicle), permiten que un ingeniero controle al insecto por medios inalámbricos. Al transmitirle impulsos eléctricos al cerebro y a los músculos de las alas, el ingeniero logra que el escarabajo levante vuelo, vire o se detenga a mitad del trayecto.

Michel Maharbiz, el creador del escarabajo cyborg, espera que un día sus insectos lleven sensores u otros dispositivos a lugares que sean de acceso difícil para humanos o que los trasporten robots terrestres como los que se utilizan en misiones de búsqueda y rescate. Los dispositivos son baratos (cuestan tan sólo 5 dólares) y los componentes electrónicos son fáciles de construir con materiales disponibles en el mercado.

"Volando, pueden atravesar pequeñas fisuras y se les pueden poner sensores de calor diseñados para buscar supervivientes heridos. Algo que todavía no es posible hacer con sistemas completamente sintéticos", comenta Maharbiz, profesor adjunto de la Universidad de Berkeley, en California (Estados Unidos).

La especialidad de Maharbiz es diseñar interfaces entre máquinas y sistemas vivientes, desde células individuales a organismos enteros. Su meta es crear "máquinas biológicas novedosas" que aprovechen la capacidad de las células vivientes para realizar movimientos, comunicación y computación exquisitamente precisos con un gasto mínimo de energía.

El profesor imagina dispositivos que puedan recolectar, manipular, almacenar y actuar a partir de la información de sus entornos. Un ejemplo puede ser el tejido para reemplazar órganos dañados, o mesas que se reparan a sí mismas o reconfiguran sus formas basándose en datos del entorno. Maharbiz asegura que en 100 años, "estoy seguro de que habrá máquinas así por todas partes, derivadas de células pero completamente manipuladas".

Los escarabajos a control remoto son la historia de un éxito temprano. Esos escarabajos integran información visual, mecánica y química para controlar el vuelo y realizan todo con un ápice de energía (un desafío casi imposible de realizar desde cero). A fin de utilizar al escarabajo como una herramienta sofisticada y útil como "robot" de búsqueda y recate, el equipo de Maharbiz tuvo que crear mecanismos de entrada y salida que pudieran comunicarse eficientemente con el sistema nervioso del insecto y controlarlo. Dichas interfaces ahora son posibles gracias a avances en las técnicas de micro-fabricación, la disponibilidad de fuentes de energía cada vez más pequeñas y la sofisticación creciente de los sistemas micro-electromecánicos (MEMS). Estos son dispositivos mecánicos diminutos que pueden ensamblarse para crear radios y microcontroladores.

A la espalda del escarabajo se fija un receptor comercial de radio montado sobre una placa común. Seis electrodos estimuladores van desde la placa hasta los lóbulos ópticos del insecto, hasta su cerebro y hasta sus músculos basilares de vuelo derecho e izquierdo. Un transmisor conectado a un ordenador portátil que ejecuta software común le envía mensajes al receptor, transmitiendo pequeños impulsos eléctricos a los lóbulos ópticos para que inicie el vuelo y hacia el músculo de vuelo derecho o izquierdo para motivar un giro. Como el receptor envía instrucciones de nivel muy alto al sistema nervioso del escarabajo, simplemente se puede señalar el inicio y el final del vuelo en vez de enviar mensajes continuos para que el escarabajo siga volando.

Otros crearon interfaces que posibilitan que los movimientos de ratas y otros animales se puedan manejar por control remoto.

Pero los insectos son mucho más pequeños y por lo tanto un mayor desafío. Maharbiz es uno de los pocos científicos que tiene conocimientos suficientemente profundos —tanto de biología como de ingeniería— como para incorporar la tecnología MEMS al sistema nervioso del animal con éxito. Su equipo ya había modificado escarabajos durante sus etapas de crisálidas para que los implantes fueran invisibles en la adultez, (algo valioso si han de usarlos en misiones secretas). Ahora los investigadores están trabajando con micro-estimuladores novedosos y receptores de radio MEMS que permitirán una ubicación neuronal más precisa y sistemas todavía más pequeños.

El escarabajo cyborg es sólo un entre un conjunto de tecnologías nuevas que se están incubando en el laboratorio de Maharbiz, incluso chips nano-fluídicos que pueden dispersar cantidades controladas de oxígeno y otros elementos químicos, incluso ADN, a células individuales. Este tipo de sistema se podría utilizar para controlar mejor el desarrollo de poblaciones celulares. A la larga, Maharbiz quiere crear materiales programables basados en células, como los necesarios para crear la mesa 'fantástica' que se repara a sí misma. Por el momento, su equipo se concentra en buscar la mejor manera de manipular dispositivos como los escarabajos. "Lo que queremos averiguar es ¿cuáles son los límites del control?", concluye Maharbiz.

Fuente: Technology Review. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard