Científicos del MIT crean un diminuto robot que nada utilizando células musculares vivas

Un grupo de investigadores del MIT logró desarrollar un robot nadador extremadamente delgado que no requiere de motores voluminosos ni piezas mecánicas potentes para desplazarse en el agua. Este innovador dispositivo utiliza una capa de tejido muscular vivo que genera la fuerza necesaria para propulsar al robot.

El robot, descrito en un estudio reciente publicado en Advanced Functional Materials, presenta un marco de gel flexible que mide aproximadamente lo mismo que un chicle. Este gel está diseñado con dos aletas, cada una recubierta con una capa de células musculares que son más delgadas que un cabello humano. Estas células han sido modificadas genéticamente para contraerse al ser expuestas a la luz.

Al dirigir la luz hacia cualquiera de las aletas, los investigadores pueden provocar contracciones musculares que hacen que la aleta se mueva, impulsando al robot a través del agua. Al ajustar qué aleta recibe luz y con qué frecuencia, el equipo puede controlar tanto la velocidad como la dirección del movimiento.

Durante las pruebas, el robot logró nadar y girar con éxito a través de un simple laberinto subacuático. A su máxima velocidad, cubrió aproximadamente cuatro veces su longitud corporal por minuto. Aunque esto es considerablemente más lento que un nadador olímpico, que puede recorrer hasta 65 longitudes corporales por minuto, es comparable a la velocidad de un tiburón vaca nadando tranquilamente en el océano.

La autora del estudio, Ritu Raman, profesora asociada de ingeniería mecánica en el MIT, comentó: "Se necesita mucha fuerza para moverse a través del agua en comparación con el aire. El robot es bastante fuerte, dada su tamaño".

Una nueva generación de robots impulsados por músculo vivo

Este dispositivo representa la primera demostración de un robot bidimensional muy delgado capaz de desplazarse utilizando tejido muscular vivo. La mayoría de los robots biohíbridos existentes dependen de estructuras tridimensionales relativamente grandes hechas de músculo esquelético cultivado en laboratorio, que requieren millones de células para su producción. Raman explicó que los diseños más delgados podrían reducir los costos de fabricación y mejorar la eficiencia del movimiento.

Los investigadores también incluyeron a Maheera Bawa, Arielle Berman, Laura Schwendeman, Ferdows Afghah y Seanbiron Johnson en su equipo de investigación.

De músculo artificial a robot nadador

El nuevo robot nadador se basa en un logro anterior del laboratorio de Raman. El año pasado, los investigadores crearon un disco de músculo artificial inspirado en el iris humano, demostrando cómo una delgada capa de células vivas podría producir movimientos controlados con precisión.

Para ese proyecto, los ingenieros diseñaron un disco de gel con surcos que se extendían desde su centro formando círculos concéntricos. Luego colocaron células musculares vivas en la superficie, donde crecieron en una capa delgada siguiendo los canales diseñados.

Cuando se iluminaba, el tejido muscular se contraía en diferentes direcciones, provocando que el disco se estirara y comprimiera. Sus movimientos se asemejaban a cómo el iris del ojo humano cambia de forma a medida que la pupila se expande o se contrae.

Este experimento estableció que los investigadores podían cultivar capas de músculo extremadamente delgadas en arreglos intrincados y utilizar luz para controlar sus movimientos en múltiples direcciones.

Para el último proyecto, los investigadores buscaban aumentar drásticamente la cantidad de movimiento y fuerza generada por las células musculares. Su objetivo era producir contracciones lo suficientemente poderosas como para propulsar un robot a través del agua.

Para lograrlo, determinaron que era necesario contar con una mejor base para el tejido muscular vivo. El iris artificial anterior había utilizado fibrina, un gel excepcionalmente suave, como su estructura subyacente. Sin embargo, el equipo descubrió que la fibrina podía encogerse rápidamente bajo las fuerzas ejercidas por las células musculares en contracción, limitando la efectividad del movimiento resultante.

Los ingenieros investigaron tres características del gel base: su composición química, su rigidez y las dimensiones y geometría de los surcos utilizados para organizar el crecimiento muscular.

Ingeniería de un robot más fuerte impulsado por músculo

Encontrar el material de soporte adecuado requirió probar geles con diferentes formulaciones, niveles de rigidez y patrones de superficie. Los investigadores compararon varias formas de surcos, incluyendo canales estrechos con perfiles cuadrados y canales más largos con fondos curvados. Descubrieron que las células musculares se alineaban más eficazmente dentro de los surcos con forma cuadrada.

Esta alineación fue importante porque las células musculares que crecen en la misma dirección tienen más probabilidades de fusionarse en fibras. Estas fibras pueden formar un tejido muscular más fuerte que se contrae de manera coordinada. Por lo tanto, los surcos cuadrados proporcionaron una estructura más efectiva para producir fuerza.

El equipo también reemplazó la fibrina con metacrilato de gelatina (GelMA), un material comúnmente utilizado para cultivar y diseñar tejido biológico. Al ajustar la formulación de GelMA, los investigadores produjeron geles de soporte con diferentes grados de rigidez. Luego examinaron cómo se desarrollaron las células musculares en cada superficie y midieron su capacidad para generar fuerza.

Los geles más rígidos produjeron los mejores resultados. En estas superficies más firmes, las células musculares crecieron en mejor alineación y generaron contracciones más fuertes. El equipo también investigó cuán grueso debería ser el gel. Determinaron que una película de aproximadamente medio milímetro ofrecía un equilibrio efectivo. Era lo suficientemente resistente como para soportar una sola capa de células musculares, pero lo suficientemente liviana como para evitar que las células en contracción se desprendieran de la superficie.

Además, el equipo mejoró el rendimiento muscular mediante una forma de ejercicio. Pulsos repetidos de luz estimularon a las células a contraerse, fortaleciendo el tejido muscular antes de incorporarlo al robot nadador.

Cómo la luz hace nadar al robot vivo

Con la estructura del gel optimizada y las células musculares fortalecidas, los investigadores ensamblaron su dispositivo nadador. El robot terminado consistía en un marco de gel delgado dividido en dos aletas. Ambos lados del gel estaban diseñados con surcos de fondo cuadrado y cubiertos con células musculares vivas. A medida que las células se desarrollaban, se fusionaban en fibras musculares organizadas capaces de contraerse en conjunto.

Cada aleta podía ser activada de manera independiente utilizando luz, proporcionando a los investigadores una forma sencilla de controlar los movimientos del robot.

Los investigadores colocaron el dispositivo dentro de un gran plato de Petri lleno de agua. Luego movieron una fuente de luz a mano, iluminando las aletas para guiar al robot a través de un laberinto ubicado dentro del plato.

A medida que los músculos se contraían, las aletas se movían y propulsaban al robot a través del agua. Al cambiar la estimulación de luz, los ingenieros lograron controlar su movimiento y ayudarlo a navegar entre los obstáculos.

Aunque el robot demostró la capacidad de nadar y maniobrar, su forma actual sigue siendo relativamente simple. El objetivo principal del experimento fue establecer que una capa de tejido muscular ingenierizado extremadamente delgada podría generar suficiente fuerza para nadar. Los investigadores ahora planean refinar el cuerpo del robot para mejorar su velocidad. Más allá de demostrar un nuevo enfoque para la robótica biohíbrida, la tecnología podría eventualmente ser útil para monitorear entornos acuáticos o operar en lugares donde las máquinas rígidas convencionales podrían causar daño.

Raman concluyó: "Nuestro próximo objetivo es optimizar el diseño del cuerpo para permitir una natación más rápida. Pero incluso a velocidades de natación lentas, uno podría imaginar un nadador impulsado por músculo siendo utilizado para propósitos como el monitoreo ambiental en entornos acuáticos".