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Pez robot se mueve alimentado con “sangre” falsa

La historia comienza a centenares de metros de altura con las aves migratorias, y termina con un pez robótico nadando en el agua debajo. Para prepararse para sus viajes, las aves engordan mucho, hasta casi duplicar su peso, lo que las convierte en baterías emplumadas. Queman esa reserva de energía para impulsar sus alas a lo largo de muchos días y muchos kilómetros, y para evitar morir de hambre y congelarse. Finalmente, llegan extenuadas a sus destinos.

Una buena idea, pensaron los ingenieros de Cornell y de la Universidad de Pennsylvania, para un nuevo sistema de alimentación de potencia para máquinas. Les hizo pensar: la grasa es una batería genial, pero no es muy factible replicarla en un robot. ¿Pero… y la sangre? En un ser humano, la sangre distribuye oxígeno y energía para las células en todo el cuerpo. Y algunos robots, ya se mueven en base a fluidos, en forma de hidráulica. Entonces, ¿por qué no modificar ese fluido para transportar energía, ya que nuestra sangre alimenta nuestros músculos?

A lo que han llegado no es un ave robot (demasiado complicada y con intensa necesidad de energía) sino a un pez león robot que utiliza un sistema vascular rudimentario y «sangre» para energizarse y alimentar hidráulicamente sus aletas. Esta tecnología aún está en sus primeros días, y de hecho este pez es extremadamente lento, pero quizás algunas máquinas del mañana podrían deshacerse de las baterías y los cables y alimentarse como organismos biológicos.

Inflexiblemente, los robots actuales están segmentados. Tienen una batería de iones de litio, que distribuye la energía por medio de cables a los motores de sus extremidades, a los que se conoce como actuadores. Este nuevo pez león robótico tiene baterías, pero están esparcidas por todo su cuerpo y funcionan en conjunto con dos bombas, una para alimentar las aletas pectorales y otra para la cola. Juntas, las baterías y las bombas actúan más como corazones biológicos que como una batería de ion litio en un robot tradicional.

El primer componente es la «sangre», en esencia un fluido hidráulico cargado con iones disueltos, lo que le da potencial químico para alimentar la electrónica. «El fluido hidráulico transmite fuerza, y solo fuerza», dice Robert Shepherd, el robotista de Cornell, coautor de un nuevo artículo en Nature que describe el sistema. «En nuestro fluido, estamos transmitiendo fuerza y estamos transmitiendo energía eléctrica».




Este líquido cargado fluye a través de las células de la batería en el abdomen y las aletas del pez. Cada celda tiene dos piezas de metal opuestas: un cátodo y un ánodo. A medida que el fluido fluye más allá de estos, crea un desequilibrio de carga o voltaje que hace que los electrones fluyan a través de la electrónica que alimenta las dos bombas. Estos a su vez mantienen el bombeo del fluido. Finalmente las celdas de la batería se agotarán, ya que el líquido pierde iones y dejará de circular. En ese momento es posible recargar el líquido para que los peces sigan funcionando. «En realidad, podrían drenar el fluido e inyectar más fluido cargado», dice Shepherd, «algo así como llenar su tanque de combustible en la estación de servicio».

El fluido, entonces, energiza a los peces. Pero también actúa como un fluido hidráulico tradicional, ya que transmite fuerza a la cola y las aletas pectorales. Cuando las bombas empujan el fluido hacia las aletas, se doblan hacia atrás y hacia delante para impulsar el robot. Las aletas pectorales funcionan de la misma manera para guiar a los peces hacia la izquierda y hacia la derecha.

Esto no mueve al robot de manera particularmente rápida: los peces pueden cubrir aproximadamente 1,5 veces la longitud de su cuerpo por minuto. «Definitivamente se lo comerían si estuviera en el océano», dice Shepherd.

Pero la velocidad del robot mejorará, ya que Shepherd y su equipo pueden aumentar el área de superficie de los ánodos y cátodos para mejorar la densidad de potencia. A diferencia de un robot tradicional de cuerpo duro, pueden llenar con celdas de batería donde lo deseen y dejar que la forma blanda del robot se adapte a los componentes adicionales. De este modo, se construye un sistema circulatorio robótico extendido: bombas y baterías que transportan el líquido por todo el robot.

Este sistema tiene algunas limitaciones importantes, especialmente teniendo en cuenta el estado avanzado de la tecnología de iones de litio. «La densidad de potencia es de 30 a 150 veces menos en lo que se observa en comparación con la capacidad de una batería de ión litio», dice el robotista del MIT CSAIL Robert Katzschmann, cuyo pez robot utiliza una batería de ión litio tradicional. Eso significa que el robot de Katzschmann puede moverse 20 veces más rápido que este nuevo pez.

Además, la naturaleza distribuida de este nuevo sistema de energía en los peces implica que no es posible cambiar con facilidad una batería sobre la marcha. «Cada vez que iba al océano, simplemente reemplazaba la batería por una nueva, así que no tengo que esperar para recargar mi prototipo», dice Katzschmann.

Aún así, podría haber un lugar para esta nueva visión de la robótica, junto con los sistemas tradicionales de iones de litio. Hay un montón de peces en el mar, después de todo.



Guante lleno de sensores aprende las señales del tacto humano

Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) presentaron ayer un estudio en el que demostraban cómo un guante de bajo costo, recubierto con una red de sensores, podría reconocer objetos por medio de la presión, y ser utilizado en prótesis o robots, entre otros.

Se trata del proyecto Scalable TActile Glove (STAG), del Laboratorio de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial, que creó este dispositivo de bajo costo, equipado con unos 550 sensores diminutos en casi toda la mano puede transmitir información en tiempo real.

En detalle, el guante capta cambios de presión por medio de una red de fibras conductoras —conocida técnicamente como una Red Neural Convolucional—, que procesan los datos con un algoritmo de sus sensores y buscan una coincidencia con objetos específicos para identificarlos.

“La información táctil recogida se proyecta sobre la forma de una mano humana, para que podamos entender fácilmente el contexto espacial”, explicó el director de la investigación, Subramanian Sundaraman a los medios. Y añadió: “Se podría considerar que el guante es como una cámara deformable que mide espacialmente las presiones o las fuerzas, lo que no es muy distinto a lo que ocurre en el mundo natural”.

En un artículo publicado en Nature, los investigadores describen un conjunto de datos que compilaron utilizando el STAG con 26 objetos comunes, entre ellos una lata de refresco, tijeras, una pelota de tenis, cuchara, bolígrafo y taza. Usando el conjunto de datos, el sistema predijo las identidades de los objetos con una precisión de hasta el 76 por ciento.

El guante, que sólo cuesta US$10 dólares, también puede predecir los pesos correctos de la mayoría de los objetos dentro de unos 60 gramos.




STAG está laminado con un polímero eléctricamente conductor que cambia la resistencia a la presión aplicada. Los investigadores cosieron hilos conductores a través de orificios en la película de polímero conductor, desde la punta de los dedos hasta la base de la palma. Los hilos se superponen de una manera que los convierte en sensores de presión. Cuando alguien que usa el guante siente, levanta, sujeta y suelta un objeto, los sensores registran la presión en cada punto.

Los hilos se conectan desde el guante a un circuito externo que traduce los datos de presión en «mapas táctiles», que son esencialmente videos breves de puntos que crecen y se contraen en un gráfico de una mano. Los puntos representan la ubicación de los puntos de presión, y su tamaño representa la fuerza: cuanto más grande es el punto, mayor es la presión.

A partir de esos mapas, los investigadores compilaron un conjunto de datos de aproximadamente 135.000 cuadros de video de interacciones con 26 objetos. Esos marcos pueden ser utilizados por una red neuronal para predecir la identidad y el peso de los objetos, y proporcionar información sobre la comprensión humana.

Para identificar objetos, los investigadores diseñaron una red neuronal convolucional (CNN), que generalmente se usa para clasificar imágenes, para asociar patrones de presión específicos con objetos específicos. Pero el truco fue elegir marcos de diferentes tipos de agarres para obtener una imagen completa del objeto.

La idea era imitar la forma en que los humanos pueden sostener un objeto de diferentes maneras para reconocerlo, sin usar su vista. De manera similar, la red neuronal convolucional de los investigadores elige hasta ocho cuadros semi-aleatorios del video que representan las capturas más diferentes, por ejemplo, sosteniendo una taza desde la parte inferior, superior y del mango.

El sistema podría mejorar la comprensión del funcionamiento del tacto, y de esta manera cómo se controlan las manos; una información que para algunos investigadores podría utilizarse para incorporar sensores táctiles a miembros artificiales, o partes mecánicas, y así revolucionar el desarrollo de prótesis y manos robóticas.

La red nerviosa de los mamíferos, dicen algunos, es todo un prodigio. En ella miles de millones de sensores distribuidos por la piel envían mensajes a nuestro cerebro, discriminan qué es importante y qué no, siendo clave para nuestras experiencias e incluso para la supervivencia.

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Logran que catéter robótico ingrese por sí solo al corazón palpitante de cerdo vivo

El sistema de senseo del dispositivo fue inspirado por la forma en que las cucarachas se mueven a lo largo de los túneles.

Operar dentro de un corazón que late es un procedimiento complejo y delicado que requiere cirujanos expertos. El personal médico generalmente utiliza joysticks de control y una combinación de rayos X o ultrasonido para guiar con cuidado los catéteres a través del cuerpo.

Ahora, por primera vez, un catéter robótico ha sido capaz de navegar de forma autónoma dentro de un corazón para ayudar a llevar a cabo un procedimiento particularmente complejo. El dispositivo, que se inspiró en la forma en que ciertos animales aprenden sobre su entorno, se utilizó para ayudar a los cirujanos a cerrar las hemorragias en los corazones de cinco cerdos vivos.

«Las ratas usan bigotes para palpar a lo largo de la pared, los humanos sienten su camino y las cucarachas usan sus antenas», dice Pierre Dupont en la Escuela de Medicina de Harvard, quien dirigió el nuevo estudio publicado en Science Robotics. «Del mismo modo, este dispositivo usa sensores táctiles para elabora dónde está, y dónde ir a continuación, basado en un mapa del corazón «.

El dispositivo tiene 8 mm de ancho, con una cámara y una luz LED en su extremo que funciona como un sensor óptico y táctil combinado. Se usó un algoritmo de aprendizaje automático que se entrenó en alrededor de 2000 imágenes de tejido cardíaco para guiarlo a medida que se movía. El sensor táctil palpa periódicamente el tejido del corazón mientras se mueve, lo que ayuda a saber dónde está y asegurándose de no dañar el tejido.




Durante el experimento, el catéter navegó a la ubicación correcta el 95% del tiempo de los 83 ensayos en cinco cerdos. Esta es una tasa de éxito similar a la de un clínico con experiencia, y el procedimiento no dejó hematomas ni daños en los tejidos, según el equipo de investigación. Una vez en posición, los cirujanos tomaron el control y llevaron a cabo el procedimiento para reparar la hemorragia. Aunque han estado disponibles catéteres robóticos durante algunos años, este es el primero que ha podido encontrar su camino sin ayuda humana.

La idea es que, un día, esa tecnología podría liberar a los cirujanos para concentrarse en otras tareas o ayudar al personal médico menos experimentado a realizar procedimientos más complejos. La tecnología podría ser reutilizada para su uso en humanos dentro de cinco años, dice Dupont.

Artículo original:
Technology Review
Science Robotics



Los ingenieros crean material «similar a la vida», con metabolismo artificial

Como material genético, el ADN es responsable de toda la vida conocida. Pero el ADN también es un polímero. Aprovechando la naturaleza única de la molécula, los ingenieros de Cornell han creado máquinas simples construidas con biomateriales con propiedades de seres vivos.

Con el uso de lo que denominan materiales DASH (DNA-based Assembly and Synthesis of Hierarchical materials, Ensamblaje y Síntesis de Jerarquías a base de ADN), los ingenieros de Cornell construyeron un material de ADN con capacidades de metabolismo, además del autoensamblaje y la organización, tres características clave de la vida.

“Estamos introduciendo un concepto de material completamente nuevo y realista impulsado por su propio metabolismo artificial”. «No estamos haciendo algo que está vivo, pero estamos creando materiales que son mucho más reales que nunca se han visto antes», dijo Dan Luo, profesor de ingeniería biológica y ambiental en la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida.

El artículo es «Material de ADN dinámico con comportamiento de locomoción emergente impulsado por el metabolismo artificial» (Dynamic DNA material with emergent locomotion behavior powered by artificial metabolism), publicado el 10 de abril en Science Robotics.

Para que cualquier organismo vivo se mantenga, debe haber un sistema para gestionar el cambio. Se deben generar nuevas células; Las células viejas y los desechos deben ser barridos. La biosíntesis y la biodegradación son elementos clave de la autosostenibilidad y requieren metabolismo para mantener su forma y funciones.

A través de este sistema, las moléculas de ADN se sintetizan y ensamblan en patrones de manera jerárquica, lo que resulta en algo que puede perpetuar un proceso dinámico y autónomo de crecimiento y decadencia.

Usando DASH, los ingenieros de Cornell crearon un biomaterial que puede emerger de forma autónoma de sus bloques de construcción a nanoescala y organizarse por sí mismo, primero en polímeros y finalmente en formas de mesoescala (componentes en un rango de aproximadamente 0,1 mm a 5 mm). Partiendo de una secuencia de semillas de 55 nucleótidos, las moléculas de ADN se multiplicaron cientos de miles de veces, creando cadenas de ADN de repetición de unos pocos milímetros de tamaño. La solución de reacción se inyectó luego en un dispositivo microfluídico que proporcionaba un flujo de energía líquida y los componentes básicos necesarios para la biosíntesis.

A medida que el flujo invadía el material, el ADN sintetizaba sus propias nuevas hebras, con el extremo frontal del material creciendo y el extremo de la cola degradándose en un equilibrio optimizado. De esta manera, hizo su propia locomoción, avanzando lentamente, contra el flujo, de manera similar a como se mueve el moho mucilaginoso.

La habilidad de locomoción permitió a los investigadores enfrentar grupos del material entre sí en carreras competitivas. Debido a la aleatoriedad en el entorno, un cuerpo eventualmente obtendría una ventaja sobre el otro, permitiendo que uno cruzara primero una línea de meta.

“Los diseños siguen siendo primitivos, pero mostraron una nueva ruta para crear máquinas dinámicas a partir de biomoléculas. Estamos en un primer paso en la construcción de robots reales mediante el metabolismo artificial”, dijo Shogo Hamada, profesor e investigador asociado en el laboratorio de Luo, y autor principal y coautor del artículo. “Incluso a partir de un diseño simple, pudimos crear comportamientos sofisticados como las competencias. El metabolismo artificial podría abrir una nueva frontera en robótica».

Actualmente, los ingenieros están explorando formas para que el material reconozca los estímulos y puedan buscarlos de manera autónoma en el caso de la luz o los alimentos, o evitarlos si son dañinos.

El metabolismo programado incrustado en los materiales de ADN es la innovación clave. El ADN contiene el conjunto de instrucciones para el metabolismo y la regeneración autónoma. Después de eso, es por su cuenta.

“Todo, desde su capacidad para moverse y competir, todos esos procesos son independientes. No hay interferencia externa «, dijo Luo. “La vida comenzó miles de millones de años a partir de unos pocos tipos de moléculas. Esto podría ser lo mismo».

El material que el equipo creó puede durar dos ciclos de síntesis y degradación antes de que caduque. Según los investigadores, es probable que la longevidad se extienda, lo que abre la posibilidad de más «generaciones» de material a medida que se auto-replica. «En última instancia, el sistema puede llevar a máquinas auto-reproductivas realistas», dijo Hamada.

«Más emocionante, el uso del ADN le da a todo el sistema una posibilidad de auto-evolución», dijo Luo. «Eso es enorme».

Teóricamente, podría diseñarse para que las generaciones subsiguientes surjan en segundos. Según Luo, la reproducción a este ritmo acelerado aprovecharía las propiedades de mutación naturales del ADN y aceleraría el proceso evolutivo.

En el futuro, el sistema podría usarse como un biosensor para detectar la presencia de cualquier ADN y ARN. El concepto también podría usarse para crear una plantilla dinámica para hacer proteínas sin células vivas.

El trabajo fue financiado en parte por la National Science Foundation y apoyado por el Fondo de Ciencia y Tecnología de NanoEscala de Cornell y el Instituto Kavli en Cornell for Nanoscale Science. Entre los colaboradores se encuentran Jenny Sabin, la profesora de Arquitectura Arthur L. e Isabel B. Wiesenberger, y los investigadores forman la Universidad Jiaotong de Shanghai y la Academia China de Ciencias.

Hay una patente pendiente en el Centro de Licencias de Tecnología.



Crean piel electrónica resistente al agua, sensible y con capacidad de auto-reparación

Un equipo de científicos de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) se inspiró en los invertebrados submarinos como las medusas para crear una piel electrónica con una funcionalidad similar.

Al igual que una medusa, la piel electrónica es transparente, estirable, sensible al tacto y se auto-repara en entornos acuáticos. Pero además es conductora de la electricidad, y podría usarse en todo, desde pantallas táctiles resistentes al agua hasta robots acuáticos blandos.

El profesor asistente Benjamin Tee y su equipo del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Singapur desarrollaron el material, junto con colaboradores de la Universidad de Tsinghua y la Universidad de California en Riverside.

El equipo de ocho investigadores dedicó poco más de un año a desarrollar el material, y su invención se publicó por primera vez este año en la revista Nature Electronics.

Materiales auto-reparables, transparentes e impermeables para un amplio rango de usos

El profesor asistente Tee ha estado trabajando en pieles electrónicas durante muchos años, y fue parte del equipo que desarrolló los primeros sensores electrónicos de piel con auto-reparación en 2012.

Su experiencia en esta área de investigación lo llevó a identificar los obstáculos clave que aún no han superado las pieles electrónicas auto-reparables. «Uno de los desafíos con la mayoría de los materiales auto-reparables actuales es que no son transparentes y no funcionan de manera eficiente cuando están mojados», dijo. «Estos inconvenientes los hacen menos útiles para aplicaciones electrónicas, como las pantallas táctiles, que a menudo deben usarse en condiciones de clima con humedad extrema».

Continuó: «Con esta idea en mente, comenzamos a observar a las medusas; son transparentes y capaces de percibir en el ambiente acuático. Entonces, nos preguntamos cómo podríamos hacer un material artificial que pudiera imitar la naturaleza resistente al agua de las medusas y, sin embargo, fuese sensible al tacto».

Tuvieron éxito en este esfuerzo al crear un gel que consiste en un polímero a base de fluorocarbono con un líquido ionizado rico en flúor. Cuando se los combina, la red de polímeros interactúa con el líquido iónico a través de interacciones ión-dipolo altamente reversibles, lo que le permite auto-repararse.

Al elaborar las ventajas de esta configuración, el profesor Tee explicó: «La mayoría de los geles de polímeros conductores, como los hidrogeles, se hinchan al sumergirlos en agua o se secan con el tiempo en el aire, lo que hace que nuestro material sea diferente es que puede conservar su forma tanto en entornos húmedos como secos. Funciona bien en agua de mar e incluso en ambientes ácidos o alcalinos».


La próxima generación de robots blandos

La piel electrónica se crea imprimiendo el material nuevo dentro de circuitos electrónicos. Como es un material blando y estirable, sus propiedades eléctricas cambian cuando se toca, presiona o se tensa.

«Luego podemos medir este cambio y convertirlo en señales eléctricas legibles para crear una amplia gama de diferentes aplicaciones de sensores», agregó el profesor Tee.

«La capacidad de imprimir nuestro material en 3D también muestra potencial en la creación de tableros de circuitos totalmente transparentes que podrían usarse en aplicaciones robóticas. Esperamos que este material pueda usarse para desarrollar varias aplicaciones en tipos emergentes de robots blandos», agregó el profesor Tee, quien también pertenece al Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de NUS, y el Instituto Biomédico para la Investigación y Tecnología de Salud Global (BIGHEART) en NUS.





Los robots blandos, y la electrónica blanda en general, buscan imitar los tejidos biológicos para hacerlos más compatibles mecánicamente con las interacciones hombre-máquina. Además de las aplicaciones de robots blandos convencionales, la tecnología impermeable de este nuevo material permite el diseño de robots anfibios y dispositivos electrónicos resistentes al agua.

Una ventaja adicional de esta piel electrónica autorreparable es el potencial que tiene para reducir la basura tecnológica. Tee explicó: «Cada año, se generan globalmente millones de toneladas de desechos electrónicos provenientes de teléfonos móviles, tabletas, etc. Esperamos crear un futuro en el que los dispositivos electrónicos hechos de materiales inteligentes puedan realizar acciones de reparación automática para reducir la cantidad de desechos electrónicos en el mundo».

Próximos pasos

El profesor Tee y su equipo continuarán su investigación y esperan explorar más posibilidades de este material en el futuro. Dijo: «Actualmente, estamos haciendo uso de las propiedades integrales del material para hacer nuevos dispositivos optoelectrónicos, que podrían utilizarse en muchas nuevas interfaces de comunicación hombre-máquina».

Fuente de la historia: ScienceDaily. Materiales proporcionados por la Universidad Nacional de Singapur. Referencia de la publicación: Yue Cao, Yu Jun Tan, Si Li, Wang Wei Lee, Hongchen Guo, Yongqing Cai, Chao Wang, Benjamin C.-K. Tee. Pieles electrónicas autocurables para ambientes acuáticos. Nature Electronics, 2019; 2 (2): 75 DOI: 10.1038 / s41928-019-0206-5

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