{"id":1184,"date":"2021-05-21T09:10:05","date_gmt":"2021-05-21T08:10:05","guid":{"rendered":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/?p=1184"},"modified":"2021-05-21T09:10:05","modified_gmt":"2021-05-21T08:10:05","slug":"robots-blandos-con-celulas-musculares-normales","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/2021\/05\/21\/robots-blandos-con-celulas-musculares-normales\/","title":{"rendered":"Robots blandos con c\u00e9lulas musculares normales."},"content":{"rendered":"\n

Como lector de ciencia ficci\u00f3n, siempre me fascin\u00f3 la posibilidad de mezclar elementos mec\u00e1nicos y biol\u00f3gicos a un nivel tan profundo que se pudieran dise\u00f1ar los biol\u00f3gicos. Investigaciones (relativamente) recientes publicadas en la revista Science Robotics<\/em> han dado un paso m\u00e1s en esa direcci\u00f3n, al publicar como un grupo de investigadores dise\u00f1aron un robot que emplea m\u00fasculos y esqueletos vivos dise\u00f1ados en laboratorio para nadar.<\/p>\n\n\n\n

Comienza en la introducci\u00f3n estableciendo algo muy obvio: los seres vivos somos muy complicados y realizamos una gran cantidad de tareas complejas de auto-organizaci\u00f3n de materia, curaci\u00f3n, movimiento y sensoras. Explica que la rob\u00f3tica blanda biomim\u00e9tica(1) pretende precisamente imitar estos comportamientos complejos, pero con \u00e9xito relativo hasta ahora. Seg\u00fan el art\u00edculo, ya se han logrado robots que combinan tejidos vivos capaces de arrastrarse por el suelo o coger cosas, pero sin las capacidades de casi cualquier ser vivo.<\/p>\n\n\n\n

Sigue el art\u00edculo diciendo que una de las \u00e1reas m\u00e1s investigadas es la consecuci\u00f3n de m\u00fasculos artificiales, donde hay una gran cantidad de avances pero que todav\u00eda se quedan lejos de las capacidades de los tejidos vivos en cuanto a consumo energ\u00e9tico, capacidad de auto-regeneraci\u00f3n, etc. Por eso estos investigadores, y otros, tomaron el camino de usar tejidos vivos combinados con materiales artificiales, que generalmente se usan como control o apoyo estructural.<\/p>\n\n\n\n

Tambi\u00e9n comentan que ya hay varios ejemplos publicados de robots que emplean c\u00e9lulas musculares card\u00edacas, generalmente en estructuras bidimensionales, para realizar control de movimiento, medir\/sentir alg\u00fan tipo de fuerza, etc. Su mayor ventaja reside en que su control es m\u00e1s sencillo, porque una vez que se las estimula con la frecuencia adecuada, no paran de moverse. Al mismo tiempo, \u00e9se es su mayor inconveniente. Por eso, algunos investigadores trataron de usar c\u00e9lulas musculares \u00abnormales\u00bb, es decir, de m\u00fasculos asociados a huesos, porque adem\u00e1s estas c\u00e9lulas pueden configurarse tridimensionalmente en estructuras mucho m\u00e1s complejas que las card\u00edacas.<\/p>\n\n\n\n

Generalmente el uso de c\u00e9lulas musculares normales se asocia a robots que andan o se arrastran, pues seg\u00fan los autores del art\u00edculo son estos los avances logrados hasta ahora. Por eso su bio-robot(2) que emplea una estructura en muelle como \u00abesqueleto\u00bb de un conjunto de c\u00e9lulas musculares normales para poder nadar es un avance importante. El robot que este grupo dise\u00f1\u00f3 puede nadar y moverse porque la estructura de muelle que soporta las c\u00e9lulas tiene una rigidez asim\u00e9trica, de tal forma que la contracci\u00f3n de las c\u00e9lulas musculares produce dos tipos de movimiento diferenciado en el robot, seg\u00fan d\u00f3nde se encuentre: nadar en la superficie aire-l\u00edquido y bucear(3) cerca del fondo del l\u00edquido. Con esta estructura crearon el robot m\u00e1s r\u00e1pido hasta la fecha realizado con este m\u00e9todo de fabricaci\u00f3n. Se mueve m\u00e1s o menos a la misma velocidad que robots basados en c\u00e9lulas card\u00edacas, que son mucho m\u00e1s r\u00e1pidos que los basados en c\u00e9lulas musculares gracias a su mayor capacidad de oscilaci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

En la siguiente secci\u00f3n de resultados explican como lo hicieron y la forma que tiene, y me parece espectacular. Usaron t\u00e9cnicas de impresi\u00f3n en 3D, impresi\u00f3n aditiva, para imprimir tanto el \u00abesqueleto\u00bb como un conjunto de hidrogel donde se hicieron crecer las c\u00e9lulas musculares, como muestra la siguiente figura:<\/p>\n\n\n\n

\"Forma
Forma del bio-robot impreso con t\u00e9cnicas 3D. La foto de abajo muestra las c\u00e9lulas musculares. De la figura 1 <\/span>del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Para hacer el esqueleto emplearon un pl\u00e1stico, el PDMS(4), mientras que las c\u00e9lulas musculares que forman el anillo exterior se integraron en una matriz de hidrogel para poder primero darle forma y luego que en el proceso de secado se mantuvieran fijas.<\/p>\n\n\n\n

\"Bio-robot<\/figure>
\n

Bio-robot real. La escala blanca de abajo es de 3 mm. Se aprecia el tejido muscular en forma de banda alrededor del \u00abesqueleto\u00bb pl\u00e1stico, y las dos oscilaciones internas del mismo que le permiten moverse bien. Tuvieron que hacer varias pruebas hasta lograr que las c\u00e9lulas musculares pudieran moverse bien con el esqueleto. La foto viene de la fig. 2 <\/span>del art\u00edculo citado.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

Tras explicar c\u00f3mo montaron el esqueleto, explican tambi\u00e9n qu\u00e9 materiales introdujeron en el hidrogel para permitir que las c\u00e9lulas que inyectaron se quedaran quietas y no murieran, adem\u00e1s de describir el proceso empleado para hacer crecer las c\u00e9lulas, un proceso largo que aqu\u00ed no quiero rese\u00f1ar. S\u00f3lo comentar que no es nada inmediato y que requiere paciencia: un m\u00ednimo de tres d\u00edas hacen falta para dejar crecer las c\u00e9lulas iniciales que luego se transformar\u00e1n en el m\u00fasculo. Todo el proceso lleva de 4 a 8 d\u00edas.<\/p>\n\n\n\n

La mec\u00e1nica del desplazamiento y movimiento del bio-robot es sencilla: cuando mediante estimulaci\u00f3n el\u00e9ctrica el m\u00fasculo se contrae, las vueltas del esqueleto se acortan, y cuando se permite al m\u00fasculo relajarse, se vuelven a alargar. La imagen siguiente lo muestra muy bien:<\/p>\n\n\n\n

\"Fuerzas
Fuerzas ejercidas en el bio-robot y la contracci\u00f3n que generan en el mismo. Con este movimiento b\u00e1sico, el dispositivo puede realizar los movimientos rese\u00f1ados. De la figura 2<\/span> del art\u00edculo citado.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Para llegar esta configuraci\u00f3n, realizaron simulaciones y estudios del \u00abesqueleto\u00bb con modelos de elementos finitos, para ver qu\u00e9 configuraci\u00f3n era capaz de moverse mejor. Vieron tres modelos con diferentes curvaturas en las dos bobinas internas que emplearon, prestando mucha atenci\u00f3n a la distribuci\u00f3n de fuerzas en la estrucutura en contracci\u00f3n, dado que fuerzas muy localizadas pod\u00edan da\u00f1ar el tejido. Por otra parte, alg\u00fan tipo de asimetr\u00eda en las fuerzas ejercidas sobre el tejido muscular es bueno, dado que promueve el crecimiento de tejido capaz de moverse mejor y es la clave para el movimiento final del bio-robot: si se contrajera y expandiera de manera totalmente sim\u00e9trica nunca podr\u00eda moverse. Para comprobar que la asimetr\u00eda producida por su dise\u00f1o era clave en este movimiento, usaron las mismas t\u00e9cnicas experimentales, pero con un \u00abesqueleto\u00bb que eran dos pares de palos enfrentados, lo que tiene una simetr\u00eda mucho mayor que su dise\u00f1o. El resultado fue que el tejido muscular no se pod\u00eda mover de manera regular, lo que confirm\u00f3 la idea de los investigadores, ya probada en experimentos previos por otra gente, de que era fundamental la asimetr\u00eda en el sistema esqueletal.<\/p>\n\n\n\n

Al estudiar con m\u00e1s detalle su bio-robot, vieron que si bien se pod\u00eda mover siempre que hubiera una cierta ruptura de simetr\u00eda en el sistema de soporte o esqueleto, para lograr cierto control sobre ese movimiento ten\u00edan que poder controlar la asimetr\u00eda que se produjo. Este control se lograba al fabricarlo, controlando la rigidez del pl\u00e1stico empleado en cada parte del soporte.<\/p>\n\n\n\n

Explican despu\u00e9s las caracter\u00edsticas hidrodin\u00e1micas del movimiento del bio-robot, diciendo que a muy bajos n\u00fameros de Reynolds nada puede moverse en un l\u00edquido a menos que ese movimiento tenga una cierta asimetr\u00eda. En la naturaleza, las bacterias alcanzan esa asimetr\u00eda mediante movimiento rotatorios de sus flagelos. Estimando el valor del n\u00famero de Reynolds(5) de su robot llegan a un valor entre 1 y 5, que es muy bajo, por lo que las asimetr\u00edas en la contracci\u00f3n y el movimiento del fluido alrededor del bio-robot son la clave para su movimiento, algo que confirmaron mediante el empleo de simulaciones hidrodin\u00e1micas.<\/p>\n\n\n\n

La \u00faltima secci\u00f3n del art\u00edculo trata de resumir lo que han conseguido y explican la importancia de la ruptura de simetr\u00eda controlada en lograr el movimiento de su sistema, destacando la rapidez que tiene al moverse y c\u00f3mo los siguientes pasos son lograr que su bio-robot sea compatible con m\u00e1s fluidos que los del laboratorio y mejoras en el control de los bio-robots, de momento muy crudo y basado en moverse o no.<\/p>\n\n\n\n

El art\u00edculo se public\u00f3 en la revista Science Robotics<\/em>, que no es accesible sin pagar. Pero los autores publicaron una versi\u00f3n previa del art\u00edculo, casi seguro que pr\u00e1cticamente id\u00e9ntica a la original, que es la que yo rese\u00f1o aqu\u00ed. Est\u00e1 accesible en los prepints<\/em> de bioRxiv, un repositorio de art\u00edculos relacionados con la biolog\u00eda: Bio-hybrid soft robots with self-stimulating skeletons<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Notas:<\/h4>\n\n\n\n

(1) La rob\u00f3tica blanda biomim\u00e9tica es la rama de la rob\u00f3tica que, usando tejidos blandos naturales o artificiales, trata de imitar y lograr las capacidades de los seres vivos, pero dise\u00f1adas y comprendidas desde el laboratorio. Tiene un uso fundamental en medicina, porque los robots en instrumentos tradicionales no siempre se pueden introducir en el cuerpo humano, bastante m\u00e1s blando que los metales o pl\u00e1sticos que se usan tradicionalmente en rob\u00f3tica.<\/p>\n\n\n\n

(2) Bio-robots es la palabra empleada en el art\u00edculo para definir los robots construidos de manera artificial, pero con la uni\u00f3n de tejidos vivos, tambi\u00e9n alterados gen\u00e9ticamente para cumplir una determinada misi\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n

(3) La palabra que emplean en ingl\u00e9s es \u00abcoasting\u00bb, que se puede traducir como dejarse ir sin apenas influir en el movimiento, pero como este bio-robot tiene que moverse para realizar este tipo de actuaci\u00f3n, prefer\u00ed traducirlo por bucear.<\/p>\n\n\n\n

(4) PDMS: Polidimetilsiloxano. Un pol\u00edmero que se puede introducir de manera segura en el cuerpo, que se puede fabricar con viscosidades muy distintas. El art\u00edculo en espa\u00f1ol de la Wikipedia es muy bueno y completo: Wiki:PDMS<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

(5) El n\u00famero de Reynolds es un valor adimensional que explicita la relaci\u00f3n entre las fuerzas de movimiento y rozamiento en cualquier sistema donde haya un fluido en movimiento. <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Como lector de ciencia ficci\u00f3n, siempre me fascin\u00f3 la posibilidad de mezclar elementos mec\u00e1nicos y biol\u00f3gicos a un nivel tan profundo que se pudieran dise\u00f1ar los biol\u00f3gicos. Investigaciones (relativamente) recientes publicadas en la revista Science Robotics han dado un paso m\u00e1s en esa direcci\u00f3n, al publicar como un grupo de investigadores dise\u00f1aron un robot que … Continuar leyendo \u00abRobots blandos con c\u00e9lulas musculares normales.\u00bb<\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":378,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[2],"tags":[14,31,32],"class_list":["post-1184","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-articulo-interesantes","tag-bio-robots","tag-impresion-3-d","tag-ingenieria"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1184","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/users\/378"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1184"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1184\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1184"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1184"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blog.uclm.es\/gonzalorprieto\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1184"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}