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Desarrollados por equipos universitarios de Estados Unidos, microrobots autónomos de 200 micrómetros integran computadora submilimétrica, sensores y propulsión por luz LED, abriendo nuevas posibilidades para monitoreo celular, montaje en microescala y aplicaciones futuras de alta precisión
Científicos de las universidades de Pennsylvania y de Michigan crearon robots autónomos de 200 micrómetros, capaces de percibir, decidir y actuar sin instrucciones externas, abriendo camino para monitorear células y administrar medicamentos con precisión sin precedentes.
Avance técnico que viabiliza autonomía microscópica
Investigadores de la Universidad de Pennsylvania y de la Universidad de Michigan desarrollaron los robots autónomos y programables más pequeños del mundo, midiendo alrededor de 200 micrómetros de ancho, aproximadamente el doble del grosor de un cabello humano.
Estas máquinas microscópicas logran percibir el entorno que les rodea, procesar información y actuar de forma independiente, sin instrucciones externas, un hito buscado durante décadas por científicos debido a las severas limitaciones físicas impuestas por la escala.
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El gran descubrimiento fue permitir que un robot de solo un quinto de milímetro pudiera moverse de manera autónoma sin asistencia externa, superando los desafíos impuestos por fuerzas de arrastre y viscosidad intensificadas en ambientes líquidos microscópicos.
Propulsión eléctrica alimentada por luz LED
Para superar las limitaciones del movimiento en microescala, el equipo de la Universidad de Pennsylvania diseñó un sistema de propulsión basado en luz LED y operación en solución de peróxido de hidrógeno.
El robot genera un campo eléctrico que impulsa iones en la solución circundante, los cuales arrastran moléculas de agua, creando movimiento dirigido incluso en condiciones comparables a nadar en alquitrán.
Los microrobots ajustan este campo eléctrico para ejecutar patrones complejos de desplazamiento y viajar en grupos coordinados, alcanzando velocidades de hasta un cuerpo por segundo.
Esta capacidad colectiva demuestra un control refinado del movimiento, ampliando posibilidades de tareas coordinadas en entornos microscópicos, donde la navegación precisa es esencial para aplicaciones futuras.
El menor computador del mundo integrado al robot
La autonomía exigió el menor computador del mundo, desarrollado por el equipo de David Blaauw, en la Universidad de Michigan, integrado al sistema de propulsión de la Universidad de Pennsylvania.
Los investigadores construyeron una computadora completa con procesador, memoria y sensores en un chip de menos de un milímetro de diámetro, viabilizando procesamiento local en escala submilimétrica.
El robot recibe energía por paneles solares microscópicos, generando solo 75 nanowatts, más de 100.000 veces menos que un smartwatch, requiriendo circuitos operando en voltajes extremadamente bajos.
Esta adaptación redujo el consumo de energía en más de 1.000 veces, permitiendo un funcionamiento estable a pesar de las severas limitaciones de almacenamiento energético en volúmenes tan reducidos.
Costo sorprendentemente bajo del sistema
Aunque cada robot cuesta alrededor de un centavo para producción a gran escala, podría suponerse que la programación y el control exigirían equipos caros, lo cual no se confirmó.
Según Marc Miskin, profesor de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Pennsylvania, el sistema completo cuesta alrededor de 100 dólares, contradiciendo las expectativas de alta inversión.
El equipo construyó una versión de bajo costo utilizando diodos LED estándar, un microcomputador Raspberry Pi y un sistema de imagen con cámara de smartphone y lente macro.
Este conjunto presenta un rendimiento casi equivalente a un microscopio sofisticado de 100 mil dólares, ya que el robot ejecuta autonomamente las tareas, sin exigir comandos constantes.
Sensoreo celular y limitaciones actuales
Los microrobots poseen sensores electrónicos capaces de detectar temperatura con precisión de un tercio de grado Celsius, posibilitando un monitoreo detallado de la salud de células individuales.
No obstante, obstáculos relevantes persisten antes de la aplicación en salud humana, incluyendo la dependencia de luz continua para funcionamiento y mantenimiento de la memoria operacional.
Al apagar la luz, el robot se apaga y la memoria se borra; al reiniciarse, comienza sin recordar la programación anterior, una limitación común en sistemas submilimétricos.
Esta restricción se debe a la dificultad extrema de almacenar energía útil en espacios reducidos, ya que la capacidad de almacenamiento es proporcional al volumen disponible.
Toxicidad del medio y caminos de superación
Otro desafío crítico es el uso de solución de peróxido de hidrógeno a 5 milimolar, tóxica para células vivas, volviendo a los robots inadecuados para aplicaciones médicas en su forma actual.
Los investigadores reconocen la limitación, pero destacan que no es insuperable, ya que los robots están integrados electrónicamente, permitiendo la sustitución libre de actuadores.
Basta compatibilizar voltaje de operación y corriente necesaria para integrar actuadores biocompatibles a los circuitos existentes, manteniendo la arquitectura funcional del sistema.
El equipo trabaja activamente en la construcción de estos robots correspondientes y espera presentar versiones con actuadores biocompatibles pronto, ampliando el alcance de uso potencial.
Montaje en microescala como aplicación estratégica
Además de la salud, Miskin destaca el entusiasmo por el uso de los robots para montaje de componentes en microescala, alterando paradigmas actuales de fabricación microscópica.
Hoy, casi todo en microescala se produce de forma monolítica, como circuitos creados a partir de patrones complejos en grandes wafers, exigiendo reconstrucción total para alteraciones puntuales.
La introducción de pequeños agentes programables permitiría modificar partes específicas sin rehacer todo el sistema, reduciendo costos, acelerando iteraciones y simplificando la propiedad intelectual.
Según los investigadores, la microescala es un entorno repleto de oportunidades, y la capacidad de programar y controlar agentes autónomos puede abrir puertas extraordinarias aún no imaginadas, a pesar del optimismo cauteloso demostrado.
“Há cerca de trinta anos, talvez mais ou menos, assistia a um dos episódios de uma série televisiva que apresentava a ação de nanomáquinas em um procedimento cirúrgico; eu ri bastante. Hoje, tudo já parece ser possível.”