Músculo de rana mueve una manta raya robótica con láser

Pocas cosas dan el salto profesional desde delicia culinaria regional hasta actuador robótico. Sin embargo, en una investigación que recuerda vagamente a RoboCop, un equipo de científicos usó músculo esquelético de una pata de rana como actuador para controlar una pequeña manta raya robótica.

Investigadores del Instituto de Automatización de Shenyang (SIA) de la Academia China de Ciencias construyeron un robot manta raya inalámbrico y controlado por luz, cuyas aletas son impulsadas por músculo biológico real. Extraído del músculo grácil de la pata de una rana toro, el tejido produjo una fuerza contráctil estable de 6,5 newton (N), alcanzó un máximo de 9,4 N bajo estimulación más extrema, siguió respondiendo eléctricamente durante hasta 11 días y logró impulsar el robot de manera confiable a lo largo de un período de siete días.

¿Qué es la robótica biosincrética?

La investigación se enmarca en la robótica biosincrética, un campo emergente de la robótica biohíbrida que incorpora material biológico vivo dentro de las máquinas. Los componentes biológicos cumplen funciones que normalmente ejecutan piezas electromecánicas, reemplazando sistemas complejos y voluminosos. En este caso, los músculos biológicos actúan como actuadores en lugar de motores eléctricos, neumática o hidráulica.

Los músculos resultan particularmente adecuados para estos robots, porque la naturaleza ya invirtió cientos de millones de años en desarrollar un actuador compacto, adaptable y altamente eficiente. Un músculo esquelético puede contraerse con fuerza y rapidez, una y otra vez, y al mismo tiempo funcionar como su propia transmisión mecánica sofisticada.

¿Por qué usar músculo nativo y no cultivado?

Ya se habían construido varios robots impulsados por músculo, pero usando tejido sintetizado en laboratorio. El propio equipo del SIA produjo en 2022 un nadador inspirado en la manta raya con tejido muscular esquelético de cultivo. Ahí quedaba un problema notorio: los tejidos musculares reconstruidos a partir de células cultivadas son comparativamente débiles. Según los investigadores, la baja fuerza de salida es uno de los factores que ha limitado la velocidad y la maniobrabilidad de los robots existentes accionados por músculo esquelético.

Esta vez saltaron el proceso de creación del músculo y tomaron prestada una versión terminada que la evolución ya había perfeccionado. El equipo aisló el músculo grácil, un músculo esquelético largo de la pata, de una rana toro. A diferencia de los haces musculares reconstruidos, el tejido nativo conserva su disposición naturalmente organizada de fibras musculares. Los investigadores sostienen que esa arquitectura ordenada entrega un desempeño contráctil considerablemente mejor.

Luego probaron distintas señales eléctricas para activarlo. Con una estimulación optimizada de 1 Hz, 5 V y 10 milisegundos por pulso, el músculo produjo cerca de 6,5 N de fuerza contráctil y se acortó alrededor de un 25%. En condiciones más extremas, la fuerza máxima llegó a 9,4 N.

"Por primera vez, hemos acoplado músculo esquelético nativo aislado con un sistema inalámbrico de estimulación neural optoelectrónica", afirma el doctor Chuang Zhang, investigador del SIA. "Nuestro trabajo valida el tejido muscular nativo como actuador biológico de alto rendimiento."

¿Cómo se le da la orden de moverse?

Tener un actuador biológico potente resuelve solo la mitad del problema. Todavía hay que alimentarlo y decirle cuándo moverse. En los animales, el trifosfato de adenosina (ATP) dentro del músculo aporta la mayor parte de la energía mecánica, mientras que un impulso eléctrico viaja por una neurona motora y gatilla la cadena de eventos que hace contraerse a las fibras.

Los robots biohíbridos replican ese proceso con electrodos que entregan pulsos eléctricos a los músculos, y ahí aparece el problema obvio para una máquina móvil: de dónde salen esos pulsos. Las configuraciones convencionales dependían de electrodos externos y estimuladores cableados que amarraban al robot a sistemas externos. El robot manta raya anterior del SIA nadaba dentro de un ambiente equipado con ocho electrodos de platino dispuestos a su alrededor para generar los campos eléctricos que estimulaban su músculo cultivado. Funcionaba, pero el propio estanque formaba parte del sistema de control.

El nuevo robot resuelve eso con un enfoque ingenioso. Módulos fotovoltaicos diminutos de arseniuro de galio (GaAs) van montados en la superficie dorsal del robot. Un operador apunta hacia ellos un láser infrarrojo cercano de 808 nanómetros. Las celdas convierten esa luz en electricidad, y la señal eléctrica resultante viaja hasta los nervios en la superficie del músculo de rana, provocando su contracción. Los lados izquierdo y derecho pueden direccionarse por separado: controlando cuándo y dónde incide la luz sobre las dos secciones fotovoltaicas, los investigadores comandan la secuencia de contracción de cada lado y logran control sin ataduras.

Qué tan bien nada

Las mantas raya reales se propulsan batiendo y ondulando rítmicamente sus enormes aletas pectorales. Es una plantilla biológica bien adaptada a este tipo de actuador, porque los músculos en contracción pueden acoplarse mecánicamente a aletas flexibles, convirtiendo el acortamiento y la relajación repetidos en un movimiento de aleteo.

Estas son las cifras de desempeño que reporta el equipo:

Según los investigadores, esos 2 largos de cuerpo por segundo son la mayor velocidad relativa reportada hasta ahora para un robot biosincrético accionado por músculo esquelético. Estimulando selectivamente los lados izquierdo y derecho, la máquina logró nado recto, virajes a ambos lados, círculos y giros en U. También pudo navegar en la superficie, sumergirse cargando peso y, de manera bastante inesperada para una manta, producir movimientos curvos lentos sobre una superficie rígida.

¿Sirve para algo más que una manta raya?

La relevancia del trabajo excede la anatomía elegida. Ninguna de las dos innovaciones, el uso de tejido natural y el método para alimentar el actuador, está restringida a nadadores con forma de manta. Los músculos esqueléticos nativos aislados podrían impulsar otras arquitecturas robóticas, mientras que la técnica de conversión de luz en electricidad ofrece una vía para comandar actuadores biológicos sin cablear el robot de forma permanente a un estimulador externo.

Para esta máquina en particular, los investigadores ven aplicaciones posibles en monitoreo ambiental de aguas someras y observación de baja perturbación de organismos acuáticos, situaciones donde una máquina pequeña propulsada por aletas puede moverse sin las hélices y los mecanismos rígidos de los robots submarinos convencionales. En la costa chilena, ese perfil calza con el seguimiento de praderas de algas y fondos someros, donde el sedimento removido por una hélice arruina la propia medición que se busca tomar.

El estudio también dejó beneficios laterales. El equipo señala que el marco de estimulación eléctrica desarrollado para mantener el músculo aislado contrayéndose de forma efectiva podría servir como referencia experimental para rehabilitación muscular in vitro tras lesión nerviosa y para sistemas dinámicos de cultivo en ingeniería de tejidos.

Las limitaciones que quedan

La más obvia es la vida útil del tejido biológico. El músculo integrado operó el robot de manera confiable durante unos siete días y siguió respondiendo eléctricamente hasta 11. Además, la máquina actual depende de luz infrarroja suministrada desde afuera para su estimulación eléctrica inalámbrica: se elimina la atadura física, pero el robot sigue dependiendo de una fuente externa de energía y control.

Los siguientes pasos apuntan justamente ahí. El equipo planea desarrollar mejores estrategias de cultivo in vitro para extender la vida del músculo, además de electrodos flexibles de película delgada, similares a neuronas, capaces de distribuir la estimulación eléctrica de forma más uniforme sobre el tejido. También quieren combinar el sistema fotovoltaico con almacenamiento de energía a bordo, para que el robot acumule la luz captada y la use después, en vez de quedar atado a la iluminación entrante.

El estudio fue publicado en la revista Advanced Functional Materials.

Fuente: Academia China de Ciencias