Resumen:
Un equipo de investigación del Instituto de Automatización de Shenyang, de la Academia de Ciencias de China, desarrolló recientemente una "manta raya robótica" en miniatura, inalámbrica y controlada por luz, cuyas aletas de propulsión son impulsadas por músculos esqueléticos reales tomados de las patas de las ranas toro. Esta investigación utiliza tejido biológico directamente como actuador, lo que supone una exploración de vanguardia en el campo de los robots biosincréticos. Los resultados relevantes se han publicado en "Advanced Functional Materials".
El equipo de investigación extrajo el músculo gracilis de la pata de una rana toro común como actuador. En condiciones de estimulación eléctrica optimizadas (1 Hz, 5 V, 10 ms por pulso), el músculo puede producir una fuerza de contracción estable de aproximadamente 6,5 N con una amplitud de contracción de aproximadamente el 25 %; bajo estimulación más fuerte, las fuerzas máximas pueden alcanzar 9,4 N. El tejido permaneció eléctricamente sensible durante 11 días y pudo conducir el robot de manera confiable durante aproximadamente siete días.
A diferencia de los protocolos anteriores que utilizaban cultivos de laboratorio o tejido muscular reconstruido, este estudio utilizó directamente músculo esquelético intacto aislado de forma natural. Los investigadores señalaron que las fibras musculares naturales tienen una estructura de disposición altamente ordenada, por lo que el rendimiento de la contracción es significativamente mejor que el de los haces de músculos reconstruidos mediante cultivo celular. Sin embargo, la fuerza de salida insuficiente siempre ha sido un cuello de botella clave que limita la velocidad y la movilidad de los robots existentes impulsados por músculos esqueléticos.
Para deshacerse de las limitaciones de los sistemas tradicionales de estimulación eléctrica con cable, el equipo integró módulos fotovoltaicos de micro-arseniuro de galio (GaAs) en la parte posterior de la mantarraya robótica y la irradió con un láser infrarrojo cercano de 808 nanómetros. La unidad fotovoltaica convierte las señales luminosas en señales eléctricas y las transmite a los nervios de la superficie de los músculos para desencadenar las contracciones; las áreas fotovoltaicas de los lados izquierdo y derecho se pueden abordar de forma independiente, y la contracción diferenciada de los músculos de ambos lados se logra controlando la sincronización y la posición de la luz, completando así controles inalámbricos como avance, giro, giros circulares y en forma de U.
En términos de rendimiento de movimiento, la velocidad promedio en línea recta del robot mantarraya es de 0,54 longitudes de cuerpo por segundo (aproximadamente 2,7 cm/s) y puede alcanzar hasta 2 longitudes de cuerpo por segundo en un corto período de tiempo. El equipo de investigación dijo que esta es la velocidad de avance relativa más alta de un robot biohíbrido impulsado por músculo esquelético reportada hasta ahora. Su radio de giro mínimo es sólo un octavo de la longitud de su cuerpo, su velocidad angular máxima alcanza los 21 grados por segundo y tarda unos 17 segundos en completar un círculo completo. Además de navegar por la superficie y nadar bajo el agua con una carga (hasta 5 gramos), el robot puede incluso moverse en curvas lentas sobre superficies rígidas.
Los investigadores afirmaron que esta es la primera vez que el músculo esquelético aislado natural se combina con un sistema de estimulación nerviosa fotoeléctrica inalámbrico, verificando la viabilidad del tejido muscular natural como un actuador biológico de alto rendimiento. Esta ruta técnica no se limita a la configuración de la mantarraya: se espera que los actuadores musculares naturales se adapten a otras estructuras robóticas, y el esquema de control inalámbrico "óptico-eléctrico" proporciona una manera de controlar los actuadores biológicos sin la necesidad de cables externos permanentes.
A nivel de aplicación, el equipo cree que este tipo de robot pequeño propulsado por aletas es adecuado para el monitoreo del entorno de aguas poco profundas y la observación sin perturbaciones de la vida acuática, y puede evitar la interferencia causada por las hélices y los mecanismos rígidos de los robots submarinos tradicionales. Además, el marco de estimulación eléctrica desarrollado para mantener una contracción eficaz de músculos aislados también puede proporcionar una referencia experimental para la investigación de rehabilitación muscular in vitro y sistemas de cultivo de ingeniería de tejidos dinámicos después de una lesión nerviosa.
La principal limitación actual es la vida útil del tejido biológico y la dependencia de la energía externa: los músculos integrados pueden funcionar de manera confiable durante aproximadamente 7 días y la respuesta eléctrica puede durar hasta 11 días; La estimulación inalámbrica aún requiere un suministro de energía continuo y control mediante una fuente de luz externa de infrarrojo cercano. En el siguiente paso, el equipo planea optimizar las estrategias de cultivo in vitro para extender la vida útil de los músculos, desarrollar electrodos de película flexibles similares a los neurológicos para lograr una distribución de señales eléctricas más uniforme e intentar combinar sistemas fotovoltaicos con almacenamiento de energía a bordo para que el robot pueda almacenar la energía luminosa recolectada y llamarla cuando sea necesario, en lugar de depender completamente de la iluminación en tiempo real.
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