Minúsculos robots nadan como los espermatozoides

Un equipo del área de bioingeniería de la Universidad de Illinois desarrolló minúsculos robots del tamaño de un microorganismo. Los dispositivos se autopropulsan nadando, obteniendo impulso igual que los espermatozoides. Las máquinas microscópicas fueron desarrolladas por medio de una combinación de células vivas en el interior de un polímero flexible. En un futuro, podrían servir para suministrar medicamentos o enfrentarse al cáncer directamente en el interior del organismo

El diseño de las micromáquinas se basa en el modelo de las criaturas unicelulares que poseen una larga cola, o flagelo. Esto las hace similares a los espermatozoides. Se comprobó que se mueven, como éstos, por el esperma.

(a) Los espermatozoides nadan generando formas de onda complejas por medio de una cola larga y delgada. (b) Los biohíbridos nadadores consisten en un filamento elástico con una cabeza rígida y una cola compatible, y un pequeño grupo de células contráctiles que generan una fuerza F a una distancia W / 2 desde el eje neutro del filamento. (c) Micrografía electrónica de barrido de un filamento PDMS fabricado cerca de la unión cabeza/cola. La cabeza y la cola tienen 57 y 7 µm de ancho, respectivamente, y 22 µm de profundidad.

Para su fabricación, los investigadores crearon primero los cuerpos de cada biobot con un polímero flexible, un compuesto formado por varias moléculas. Después, cultivaron células de un corazón cerca de la unión entre la cabeza y el rabo de este cuerpo. En el interior del polímero, las células se alinean por sí solas, y producen una sacudida todas juntas, lo que produce una onda que viaja en dirección a la cola. Esta onda es la que propulsa hacia delante al biobot.

«Los microorganismos tienen un mundo que sólo vislumbramos a través del microscopio», explica Taher Saif, autor principal de este avance en un comunicado de la Universidad de Illinois. «Ésta es la primera vez que un sistema de ingeniería alcanza ese submundo».

Aprovechar la autoorganización celular

Un aspecto interesante del desarrollo de estos biobots fue el de la autoorganización de las células. “Un fenómeno emergente destacable», según Saif.

Aún no se entiende del todo de qué manera se comunican las células entre ellas en la cola de polímero flexible. Pero las células deben impulsar juntas, en la dirección correcta, para que la cola se mueva. Todo en un diseño mínimo, de sólo una cabeza y un filamento.

“Cuando las células entran en la estructura, interaccionan con ésta y la vuelven funcional”, añade Saif. Los investigadores también probaron la fabricación de biorobots de dos colas, que nadaron aún más rápido que los primeros.

Aplicaciones potenciales

Pensando a largo plazo, los científicos ven interesantes aplicaciones para este invento. En general, creen que los minúsculos robots se podrían usar para detectar sustancias químicas o luz, y se los podría aprovechar para fines médicos o medioambientales.

Por ejemplo, en un futuro tal vez se puedan crear estructuras de este tipo y esparcirlas por el organismo. Los biobots suministrarían medicamentos o realizarían cirugías mínimamente invasivas, e incluso podrían tratar directamente el cáncer.

(a) filamento de PDMS 48 h después del cultivo celular, con la cabeza todavía fija al sustrato y la cola corta y separada del sustrato. Se permite adjuntar a los cardiomiocitos cerca de la región de la cabeza del filamento. La barra de escala es de 400 micras. (b) Imagen de primer plano de la región de la cabeza que muestra las células contráctiles (marcados con un círculo en rojo) y las deformaciones correspondientes del filamento durante un ciclo completo. El momento máximo estimado a partir de la flexión elástica del filamento es 38 µN · m con una frecuencia de 3 Hz ~ (Película complementaria 2). La barra de escala, 100 µm.

Robots blandos como micoorganismos acuáticos

Aunque parezca un proyecto de ciencia ficción, el de Saif no es el primero que busca inspiración en los microorganismos. La finalidad para crear robots tan pequeños es conseguir que las máquinas puedan llevar a cabo funciones incluso en el interior del cuerpo humano.

En esa línea también trabajan los científicos Antonio de Simone, de Sissa (la Escuela Internacional de Estudios Avanzados de Trieste, Italia) y Marino Arroyo, de la Universidad Politécnica de Cataluña.

Ambos han descrito recientemente en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids que, inspirándose en microorganismos acuáticos unicelulares, han estudiado los mecanismos de locomoción de unos potenciales «robots blandos».

«Si pienso en los robots del futuro, lo que me viene a la mente son los tentáculos de un pulpo o la trompa de un elefante, en lugar del brazo mecánico de una grúa o el funcionamiento interno de un reloj. Y si pienso en micro-robots, entonces pienso en los organismos unicelulares que se mueven en el agua. Los robots del futuro serán cada vez más como los organismos biológicos», ha explicado al respecto Antonio de Simone.

Referencia de publicación: Brian J. Williams, Sandeep V. Anand, Jagannathan Rajagopalan, M. Taher A. Saif. A self-propelled biohybrid swimmer at low Reynolds number. Nature Communications (2014). DOI: 10.1038/ncomms4081.

Fuente: Tendencias 21 y Nature. Aportado por Eduardo J. Carletti

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