Desarrollan músculos artificiales que se mueven con ultrasonido y microburbujas

Un equipo de investigadores de ETH Zurich desarrolló una nueva clase de músculos artificiales que utilizan microburbujas y pueden ser controlados mediante ultrasonido. Estos músculos tienen el potencial de ser utilizados en diversas aplicaciones técnicas y médicas, como brazos de agarre, parches de tejido y entrega de medicamentos.

El experimento inicial puede parecer simple, ya que una breve estimulación por ultrasonido hace que una delgada tira de silicona comience a doblarse y arquearse. Sin embargo, esto es solo el comienzo. El equipo, liderado por Daniel Ahmed, profesor de Robótica Acústica para Ciencias de la Vida y Salud, ha creado membranas flexibles que responden a ultrasonido gracias a miles de microburbujas.

El trabajo fue publicado en la revista Nature.

Patrones de microburbujas facilitan el movimiento flexible

Los investigadores fabricaron los músculos artificiales utilizando un molde de fundición con una microestructura definida. La membrana de silicona producida en este molde tiene pequeños poros en su parte inferior, cada uno de aproximadamente 100 micrómetros de profundidad y diámetro, similar al ancho de un cabello humano. Al sumergir la membrana en agua, se atrapan pequeñas microburbujas en estos poros.

Cuando se someten a ondas sonoras, estas microburbujas comienzan a oscilar y producen un flujo dirigido que mueve el músculo. El tamaño, la forma y la posición de estas microburbujas pueden controlarse con precisión, lo que permite generar movimientos que van desde una curvatura uniforme hasta patrones ondulatorios. Los músculos responden en milisegundos y pueden ser controlados de forma inalámbrica.

Agarre suave y movimiento fluido

Los investigadores demostraron varias aplicaciones para estos músculos artificiales, una de las cuales es un brazo de agarre suave y miniatura. En un experimento, lograron atrapar suavemente una larva de pez cebra en el agua y luego liberarla.

"Fue fascinante ver cuán precisamente y con cuánta suavidad funcionó el agarre; la larva nadó lejos después, sin sufrir daño", recordó Zhiyuan Zhang, un exestudiante de doctorado bajo Ahmed y uno de los autores principales del estudio.

Además, construyeron un robot que se asemeja a una pequeña mantarraya para demostrar movimientos ondulatorios. Mide aproximadamente cuatro centímetros de ancho. Dos músculos artificiales imitan la función de las aletas pectorales. Cuando se aplica estimulación por ultrasonido, se induce un movimiento ondulatorio en el músculo, permitiendo que el robot miniatura se deslice por el agua sin ningún cableado.

"La locomoción ondulatoria fue un verdadero hito para nosotros", dice Ahmed. "Muestra que podemos usar las microburbujas para lograr no solo movimientos simples, sino también patrones complejos, como en un organismo vivo".

Las perspectivas a largo plazo para estos dispositivos, denominados "stingraybots" por los investigadores, incluyen su uso en el tracto gastrointestinal, posiblemente para liberar medicamentos con precisión absoluta o apoyar procedimientos mínimamente invasivos. De hecho, ya han considerado cómo podría transportarse un stingraybot al estómago: proponen enrollar el robot y colocarlo en una cápsula especialmente desarrollada que podría tragarse antes de disolverse en el estómago del paciente.

Adecuados para espacios confinados y superficies sensibles

Los investigadores también produjeron una pequeña estructura de silicona en forma de rueda, que presenta microburbujas de diferentes tamaños y que también puede ser impulsada mediante ultrasonido. En experimentos con un intestino porcino, demostraron su capacidad para navegar a través de las convoluciones intestinales al estimular secuencialmente microburbujas de diferentes tamaños.

"El intestino es un entorno particularmente complejo porque es estrecho, curvado e irregular", explica Zhan Shi, un exestudiante de doctorado bajo Ahmed y otro de los autores principales del estudio. "Por lo tanto, fue particularmente impresionante que nuestro robot en forma de rueda pudiera moverse allí".

Los investigadores también desarrollaron parches médicos que, mediante activación por ultrasonido, son capaces de adherirse a estructuras curvas. Estos parches pueden adaptarse específicamente a diferentes tipos de tejido y liberar medicamentos en ubicaciones precisas, como para tratar cicatrices o tumores. En experimentos de laboratorio, el equipo ya ha logrado entregar con éxito un tinte a una ubicación específica en un modelo de tejido.

Músculos suaves con aplicaciones médicas potenciales

"Comenzamos realizando investigaciones fundamentales antes de demostrar la versatilidad de estos músculos artificiales, con aplicaciones que van desde la entrega de medicamentos hasta la locomoción en el tracto gastrointestinal y parches cardíacos", resume Ahmed.

Aunque la tecnología sigue limitada a ensayos de laboratorio por ahora, posee un vasto potencial para futuras aplicaciones médicas y técnicas. A largo plazo, estos músculos artificiales suaves podrían ayudar a administrar medicamentos de manera más precisa y hacer que los procedimientos sean menos invasivos. Al combinar biocompatibilidad con flexibilidad y control inalámbrico, representan una herramienta prometedora para aplicaciones médicas. Para los investigadores, el camino hacia los músculos controlados acústicamente apenas comienza.