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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.



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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Nuevos micro robots de tamaño celular podrían hacer viajes increíbles

Estos robots se construyen en cantidades en un mismo proceso utilizando la tecnología de nanofabricación: cada oblea contiene un millón de máquinas.


Los investigadores han aprovechado las últimas técnicas de nanofabricación para crear robots con forma de minúsculos insectos que funcionan de forma inalámbrica, capaces de caminar y sobrevivir en entornos hostiles, y suficientemente pequeños como para ser inyectados a través de una aguja hipodérmica común.

«Cuando era niño, recuerdo haber mirado en un microscopio y haber visto todas estas locuras. Ahora estamos construyendo cosas que están activas en ese tamaño. No solo podemos mirar este mundo: en realidad, puedes jugar en él», dijo Marc Miskin, quien desarrolló las técnicas de nanofabricación con sus colegas, los profesores Itai Cohen y Paul McEuen y el investigador Alejandro Cortese en la Universidad de Cornell, mientras que Miskin fue postdoctorado en el laboratorio de física atómica y de estado sólido allí. En enero, se convirtió en profesor asistente de ingeniería eléctrica y de sistemas en la Universidad de Pennsylvania.

Miskin presentó esta semana su investigación sobre robots microscópicos en la reunión de marzo de la American Physical Society en Boston. También participó en una conferencia de prensa que describió el trabajo.

Crédito: Marc Mishkin


Orígenes de los micro robots

En el transcurso de los últimos años, Miskin y sus colegas de investigación desarrollaron una técnica de nanofabricación de varios pasos que convierte una oblea de silicio especializada de 10 centímetros en un millón de robots microscópicos en solo unas semanas. Cada 70 micrones de largo (aproximadamente el ancho de un cabello humano muy delgado), los cuerpos de los robots se forman a partir de un esqueleto de vidrio rectangular superfino cubierto con una capa delgada de silicio en la que los investigadores graban sus componentes electrónicos de control y dos o cuatro células solares de silicio: el equivalente rudimentario de un cerebro y órganos.

«La verdadera explicación a alto nivel de cómo los hacemos es que tomamos la tecnología desarrollada por la industria de los semiconductores y la usamos para hacer pequeños robots», dijo Miskin.

Cada una de las cuatro patas de un robot está formada por una bicapa de platino y titanio (o alternativamente, grafeno). El platino se aplica utilizando deposición de capa atómica. «Es como pintar con átomos», dijo Miskin. La capa de platino-titanio se corta luego en las cuatro patas de cada robot de 100 átomos de espesor.

«Las piernas son super fuertes», dijo. «Cada robot lleva un cuerpo que es 1.000 veces más grueso y pesa aproximadamente 8.000 veces más que cada pata».

Los investigadores encienden un láser en una de las células solares de un robot para alimentarlo. Esto hace que el platino en la pierna se expanda, mientras que, a su vez, el titanio permanece rígido, lo que hace que la extremidad se doble. La marcha del robot se genera porque cada célula solar provoca la contracción alternativa o la relajación de las patas delanteras o traseras.

Los investigadores vieron por primera vez el movimiento de la pata de un robot varios días antes de la navidad de 2017. «La pata solo se torció un poco», recordó Miskin. «Pero fue la primera prueba de diseño, ¡esto va a funcionar!»





Los equipos de Cornell y Pennsylvania trabajan ahora en versiones inteligentes de los robots con sensores, relojes y controladores a bordo.

La fuente de energía del láser actual limitaría el control del robot al ancho de una uña en el tejido. Así que Miskin está pensando en nuevas fuentes de energía, como ultrasonido y campos magnéticos, que permitirían a estos robots hacer viajes increíbles en el cuerpo humano para misiones como la administración de fármacos o el mapeo del cerebro.

«Descubrimos que puedes inyectarlos con una jeringa y sobreviven, aún están intactos y son funcionales, lo que está muy bien», dijo.

Fuente de la historia: Materiales proporcionados por la American Physical Society. «Los nuevos micro robots de tamaño celular podrían hacer viajes increíbles: un millón de robots microscópicos funcionales producidos a partir de una oblea de silicio de 4 pulgadas en un nuevo proceso de nanofabricación». ScienceDaily, marzo de 2019. www.sciencedaily.com/releases/2019/03/190307161906.htm



Usando electricidad y agua, un nuevo tipo de motor puede poner microrobots en movimiento

Los actuadores microhidráulicos, más delgados que un tercio del ancho del cabello humano, están demostrando ser los motores más potentes y eficientes a microescala.

Mire a su alrededor y probablemente verá algo que funciona con un motor eléctrico. Potentes y eficientes, mantienen gran parte de nuestro mundo en movimiento, desde nuestras computadoras hasta refrigeradores y ventanas automáticas en nuestros autos. Pero estas cualidades se hacen difíciles cuando estos motores se reducen a tamaños más pequeños que un centímetro cúbico.

«A escalas muy pequeñas, se obtiene un calentador en lugar de un motor», dijo Jakub Kedzierski, personal del Grupo de Tecnologías de Química, Microsistema y Nanoescala del Laboratorio Lincoln del MIT. Hoy en día, no existe ningún motor que sea altamente eficiente y poderoso a la vez que microscópico. Y eso es un problema, porque los motores a esa escala son necesarios para poner en movimiento los sistemas miniaturizados: micro guías que pueden apuntar los láseres con una fracción de un grado a lo largo de miles de kilómetros, drones diminutos que pueden meterse entre escombros para encontrar sobrevivientes, o incluso bots que pueden arrastrarse por el tracto digestivo humano.

Para ayudar a sistemas de energía como estos, Kedzierski y su equipo están creando un nuevo tipo de motor llamado actuador microhidráulico. Los actuadores se mueven con un nivel de precisión, eficiencia y potencia que aún no ha sido posible a microescala. Un artículo que describe este trabajo fue publicado en Science Robotics.

Los actuadores microhidráulicos utilizan una técnica llamada electrohumectación para lograr el movimiento. El electrohumectado aplica una tensión eléctrica a las gotas de agua sobre una superficie sólida para distorsionar la tensión superficial del líquido. Los actuadores aprovechan esta distorsión para forzar a las gotas de agua dentro del actuador a moverse, y con ellas, a todo el actuador.

«Piensa en una gota de agua en una ventana; la fuerza de la gravedad la distorsiona y se mueve hacia abajo», dijo Kedzierski. «Aquí, usamos voltaje para causar la distorsión, que a su vez produce movimiento».

El actuador está construido en dos capas. La capa inferior es una lámina de metal con electrodos estampados en ella. Esta capa está cubierta con un dieléctrico, un aislante que se polariza cuando se aplica un campo eléctrico. La capa superior es una lámina de polyimida, un plástico fuerte, que tiene perforados canales poco profundos. Los canales guían la trayectoria de docenas de gotas de agua que se aplican entre las dos capas y se alinean con los electrodos. Para evitar la evaporación, el agua se mezcla antes con una solución de cloruro de litio, que reduce la presión de vapor del agua lo suficiente como para que las gotas del tamaño de un micrómetro duren meses. Las gotas mantienen su forma redondeada (en lugar de ser aplastadas entre las capas) debido a su tensión superficial y su tamaño relativamente pequeño.

El actuador cobra vida cuando se aplica voltaje a los electrodos, aunque no a todos a la vez. Se realiza en un ciclo de activación de dos electrodos por gota a la vez. Sin voltaje, una sola gota de agua descansa neutralmente en dos electrodos, 1 y 2. Pero al aplicar un voltaje a los electrodos 2 y 3, de repente la gota se deforma, estirándose para tocar el electrodo energizado 3 y se retira del electrodo 1.

Esta fuerza horizontal en una gota no es suficiente para mover el actuador. Pero con este ciclo de voltaje aplicado simultáneamente a los electrodos debajo de cada gota en la matriz, la capa de polyimida completa se desliza para apaciguar la atracción de las gotas hacia los electrodos energizados. Al continuar haciendo circular el voltaje, las gotitas siguen caminando sobre los electrodos y la capa continúa deslizándose; si se corta la tensión, y el actuador se detiene en sus pistas. El voltaje, entonces, se convierte en una herramienta poderosa para controlar con precisión el movimiento del actuador.

Pero, ¿cómo queda el actuador frente a otros tipos de motores? Las dos métricas para medir el rendimiento son la densidad de potencia, o la cantidad de potencia que produce el motor en relación con su peso y eficiencia, o la medida de la energía desperdiciada. Uno de los mejores motores eléctricos en términos de eficiencia y densidad de potencia es el motor del sedán Tesla Modelo S. Cuando el equipo probó los actuadores microhidráulicos, descubrieron que estaban justo detrás de la densidad de potencia del Modelo S (a 0,93 kilovatios por kilogramo) y el rendimiento de eficiencia (con una eficiencia del 60 por ciento a la densidad de potencia máxima). Superaron ampliamente los actuadores piezoeléctricos y otros tipos de microactuadores.

«Estamos entusiasmados porque estamos cumpliendo con ese punto de referencia, y aún estamos mejorando a medida que escalamos a tamaños más pequeños», dijo Kedzierski. Los actuadores mejoran en tamaños más pequeños porque la tensión de la superficie sigue siendo la misma independientemente del tamaño de las gotas de agua, y las gotas más pequeñas dejan espacio para que aun más gotas entren en el actuador y ejerzan su fuerza horizontal. «La densidad de potencia simplemente se dispara. Es como tener una cuerda cuya fuerza no se debilita a medida que se adelgaza», agregó.

El último actuador, el que está más cerca del modelo S de Tesla, tenía una separación de 48 micrómetros entre las gotas. El equipo ahora está reduciendo eso a 30 micrómetros. Proyectan que, a esa escala, el actuador coincidirá con el Tesla en densidad de potencia y, a 15 micrómetros, lo superará.

La reducción de los actuadores es solo una parte de la ecuación. El otro aspecto en el que el equipo está trabajando activamente es la integración 3D. En este momento, un solo actuador es un sistema de dos capas, más delgado que una bolsa de plástico y flexible como ella, también. Quieren apilar los actuadores en un sistema similar a un andamio que pueda moverse en tres dimensiones.

Kedzierski imagina un sistema semejante que imita la matriz muscular de nuestro cuerpo, la red de tejidos que permite a nuestros músculos lograr un movimiento instantáneo, potente y flexible. Diez veces más potentes que el músculo, los actuadores se inspiraron en los músculos de muchas maneras, desde su flexibilidad y ligereza hasta su composición de componentes sólidos y fluidos.

Y así como el músculo es un excelente actuador en la escala de una hormiga o un elefante, estos actuadores microhidráulicos también podrían tener un impacto poderoso no solo a microescala, sino en la macroescala.

«Uno podría imaginar», dijo Eric Holihan, quien ha estado ensamblando y probando los actuadores, «la tecnología aplicada a los exoesqueletos», construida con los actuadores como un músculo real, configurado en juntas flexibles en lugar de engranajes. O un ala de avión podría cambiar de forma con comandos eléctricos, con miles de actuadores deslizándose uno sobre el otro para cambiar la forma aerodinámica del ala.

Mientras sus imaginaciones se agitan, el equipo enfrenta desafíos en el desarrollo de grandes sistemas de actuadores. Un desafío es cómo distribuir la potencia en ese volumen. Un esfuerzo paralelo en el laboratorio, que está desarrollando microbaterías para integrarse con los actuadores, podría ayudar a resolver ese problema. Otro desafío es cómo empaquetar los actuadores para eliminar la evaporación.

«La confiabilidad y el empaque continuarán siendo las preguntas predominantes que se nos plantean sobre esta tecnología hasta que demostremos una solución», dijo Holihan. «Esto es algo que esperamos atacar frontalmente en los próximos meses».

Fuente: MIT NEWS