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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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Un pequeño robot blando con muchas patas administraría fármacos al cuerpo humano

A partir de una investigación dirigida por la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) se desarrolló un novedoso robot blando con patas similares a una oruga, capaz de transportar cargas pesadas, y adaptable a entornos adversos. Este mini robot podría allanar el camino para el avance de la tecnología médica, como la administración de medicamentos en el interior del cuerpo humano.

EN UNA INVESTIGACIÓN DIRIGIDA POR LA UNIVERSIDAD DE LA CIUDAD DE HONG KONG SE DESARROLLÓ UN NUEVO ROBOT CON PATAS DE ORUGA CAPAZ DE LLEVAR CARGAS PESADAS EN RELACIÓN A SU TAMAÑO Y ADAPTARSE AL AMBIENTE ADVERSO

En todo el mundo se han realizado investigaciones sobre el desarrollo de robots blandos. Pero el nuevo diseño de CityU con patas múltiples ayuda a reducir significativamente la fricción, de modo que el robot puede moverse de manera eficiente sobre superficies dentro del cuerpo revestidas o completamente sumergidas en fluidos corporales, como sangre o mucosidad.

Los hallazgos de la investigación se publicaron en el último número de la revista científica Nature Communications, titulada “A Bio-inspired Multilegged Soft Millirobot that Functions in Both Dry and Wet Conditions” (Un millirobot blando de múltiples patas de inspiración biológica que funciona en condiciones tanto secas como húmedas).

Diseño de robot de inspiración biológica

Lo que hace que este milli-robot se destaque es que tiene cientos de patas puntiagudas de menos de 1 mm de largo que se ven como un cabello pequeño y corto. Este diseño único no fue una elección al azar. El equipo de investigación ha estudiado las estructuras de las patas de cientos de animales terrestres, incluidos aquellos con 2, 4, 8 o más patas, en particular la relación entre la longitud de las patas y la brecha entre las patas. Y a partir de ahí, tuvieron su inspiración.


«La mayoría de los animales tienen una proporción de pata a brecha de 2:1 a 1:1. Así que decidimos crear nuestro robot con una proporción de 1:1», explica el Dr. Shen Yajing, profesor asistente del Departamento de Ingeniería Biomédica de la Ciudad (BME), quien dirigió la investigación.

El grosor del cuerpo del robot es de aproximadamente 0,15 mm, y cada pata cónica mide 0,65 mm de largo. El espacio entre las patas es de aproximadamente 0,6 mm, lo que hace que la relación entre la longitud de la pata y la separación entre ellas sea de aproximadamente 1:1. Además, las patas puntiagudas del robot han reducido considerablemente su área de contacto y, por lo tanto, la fricción con la superficie. Las pruebas de laboratorio mostraron que el robot de patas múltiples tiene 40 veces menos fricción que un robot sin extremidades, tanto en ambientes húmedos como secos.

Aparte del diseño de patas múltiples, los materiales también son importantes. El robot está fabricado con un material de silicona llamado polidimetilsiloxano (PDMS) incrustado con partículas magnéticas que le permite controlarlo de forma remota mediante la aplicación de una fuerza electromagnética. «Tanto los materiales como el diseño de patas múltiples mejoran en gran medida las propiedades hidrofóbicas del robot. Además, la pieza de silicona es blanda y se puede cortar fácilmente para crear robots de varias formas y tamaños para diferentes aplicaciones», dice el profesor Wang Zuankai del Departamento de Ingeniería mecánica (MNE), que concibió esta idea de investigación e inició la colaboración entre los investigadores.

Moverse cómodo en ambientes hostiles

Controlado por un manipulador magnético que se utiliza en experimentos, el robot puede moverse tanto con un patrón de propulsión de aleta como con un patrón de péndulo invertido, lo que significa que puede usar sus patas delanteras para aletear hacia adelante, y también balancear el cuerpo apoyado sobre las patas izquierdas y derechas alternativamente, para avanzar respectivamente.

«La superficie rugosa y la textura cambiante de diferentes tejidos dentro del cuerpo humano causan que el transporte sea un desafío. Nuestro robot de varias patas muestra un rendimiento impresionante en diversos terrenos y, por lo tanto, abre amplias aplicaciones para el suministro de medicamentos dentro del cuerpo», dice el profesor Wang.




El equipo de investigación demostró además que al enfrentar un obstáculo más alto que la longitud de sus patas, el robot, con sus patas blandas deformables, es capaz de levantar un extremo de su cuerpo para formar un ángulo o hasta 90 grados y cruzar el obstáculo fácilmente. Y el robot puede aumentar su velocidad cuando se incrementa la frecuencia electromagnética aplicada.

El robot también muestra una notable capacidad de carga. Las pruebas de laboratorio mostraron que el robot era capaz de llevar una carga 100 veces más pesada que él mismo, una fuerza comparable a una hormiga, uno de los hércules más fuertes de la naturaleza, como si un ser humano pudiese levantar fácilmente un minibús de 26 asientos.

«La sorprendente capacidad de transporte, la eficiente locomoción y la buena capacidad para cruzar obstáculos hacen que este milli-robot sea extremadamente adecuado para aplicaciones en un entorno hostil, por ejemplo, para enviar un medicamento a un lugar asignado a través del sistema digestivo o para realizar una inspección médica», agrega Dr. Shen.

Antes de realizar pruebas adicionales en animales y, finalmente, en seres humanos, los equipos de investigación están desarrollando y perfeccionando su investigación en tres aspectos: encontrar un material biodegradable, estudiar nuevas formas y agregar características adicionales.

«Esperamos crear un robot biodegradable en los próximos dos o tres años para que se descomponga naturalmente después de su misión de administración de medicamentos», dice el Dr. Shen.

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Piernas robóticas que se basan en la evolución animal para aprender a caminar

Investigadores de la Universidad de Carolina del Sur (USC) han construido un robot que puede aprender solo a caminar. Inspirados por la forma de aprender de los humanos, y de los animales que han evolucionado para aprender esta habilidad a los pocos minutos de nacer, se espera que la investigación abra nuevas posibilidades en los campos de las prótesis dinámicas y los robots que aprenden sobre la marcha en entornos desconocidos.

La nueva extremidad robótica conectada a una máquina de cuatro patas (Crédito: Matthew Lin)

«Hoy en día, para que un robot esté listo para interactuar con el mundo se necesita el equivalente de meses o años de entrenamiento, pero queremos lograr el rápido aprendizaje y las adaptaciones que se ven en la naturaleza», dice Francisco J. Valero-Cuevas, un profesor de Ingeniería Biomédica.

En pos de este objetivo, Valero-Cuevas y sus colegas desarrollaron una pierna robótica accionada por tendones de tipo animal y controlada por algoritmos de Inteliencia Artificial bio-inspirados. Esto permite que el robot desarrolle la habilidad de caminar de manera similar a los humanos, por medio de lo que se conoce en los círculos de robótica como Motor Babbling (“babbling” es el balbuceo de los bebés que están probando su capacidad de hablar), que implica realizar movimientos exploratorios repetidos.

«Estos movimientos aleatorios de la pierna permiten al robot construir un mapa interno de su extremidad y sus interacciones con el medio ambiente», dice el estudiante de doctorado de ingeniería de la USC, Ali Marjaninejad, autor del estudio.

Los investigadores han desarrollado una extremidad robótica accionada por tendones de tipo animal y controlada por algoritmos de inteligencia artificial específicos.

Al aprender sobre su estructura y entorno, el miembro robótico puede desarrollar su propio andar personalizado y aprender una nueva tarea de caminar después de solo cinco minutos de pruebas puramente descoordinadas. A tal punto que puede recuperarse si tropieza al querer dar su próximo paso con seguridad en el suelo, aunque no esté programado para hacerlo. Los investigadores creen que este es el primer robot capaz de tal hazaña, y están entusiasmados con las posibilidades que abre el avance.
Como explican, los robots pueden programarse para realizar ciertas tareas en ciertos escenarios, pero no se pueden preparar para toda posibilidad. Este tipo de robots, por otro lado, que son capaces de desarrollar sus propios movimientos personalizados en respuesta a su entorno, podrán asumir una gama más amplia de tareas.

«Si se deja que estos robots aprendan de la experiencia relevante, finalmente encontrarán una solución que, una vez lograda, se utilizará y adaptará según sea necesario», dice Marjaninejad. «La solución puede no ser perfecta, pero se adoptará si es lo suficientemente buena para la situación. No todos necesitamos o deseamos, o podemos gastar tiempo y esfuerzo en ganar una medalla olímpica».





Las prótesis sensibles son un área en la que este tipo de tecnología podría tener un impacto, ya que ayuda a las personas con discapacidades, al permitirles extremidades más intuitivas, naturales y que se mejoran a sí mismas. La exploración espacial es otra, donde los robots podrían colocarse en planetas o lunas lejanos y usar sus capacidades de aprendizaje para ajustar su modo de andar y navegar por terreno desconocido.

«La capacidad de una especie para aprender y adaptar sus movimientos a medida que cambian sus cuerpos y ambientes ha sido, desde el principio, un poderoso impulsor de la evolución», dice Brian Cohn, también estudiante de doctorado y autor del estudio. «Nuestro trabajo constituye un paso hacia la capacitación de los robots para aprender y adaptarse de cada experiencia, tal como lo hacen los animales».

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La investigación fue publicada en la revista Nature Machine Intelligence.
Fuente: Universidad del sur de California