Nano-robots patrullando el cuerpo humano
Otra fantasía a punto de concretarse
“Cincuenta años de escalamiento de la ley de Moore en microelectrónica han brindado oportunidades notables para el campo en rápida evolución de la robótica microscópica 1 , 2 , 3 , 4 , 5 . Los sistemas electrónicos, magnéticos y ópticos ofrecen ahora una combinación sin precedentes de complejidad, tamaño pequeño y bajo costo 6 , 7 , y podrían ser fácilmente apropiados para robots que son más pequeños que el límite de resolución de la visión humana (menos de cien micrómetros) 8 , 9. , 10 , 11. Sin embargo, existe un obstáculo importante: no existe un sistema de actuador a escala micrométrica que se integre a la perfección con el procesamiento de semiconductores y responda a las señales de control electrónico estándar. Aquí superamos esta barrera desarrollando una nueva clase de actuadores electroquímicos controlables por voltaje que operan a bajos voltajes (200 microvoltios), baja potencia (10 nanovatios) y son completamente compatibles con el procesamiento de silicio. Para demostrar su potencial, desarrollamos protocolos de fabricación y liberación litográfica para crear prototipos de robots andantes de menos de cien micrómetros. Cada paso de este proceso se realiza en paralelo, lo que nos permite producir más de un millón de robots por oblea de cuatro pulgadas. Estos resultados son un avance importante hacia robots funcionales basados en silicio fabricados en masa que son demasiado pequeños para ser resueltos a simple vista.”
Así comienza el abstract con que los Dres. Marc Miskin, Itai Cohen y Paul McEuen, de la Universidad de Cornell, presentaron su desarrollo de nanorobots con desplazamiento autónomo, que podrían efectuar numerosas clases de intervenciones en el interior más profundo del cuerpo humano sin necesidad de procedimientos invasivos -salvo el del nano-ejército robótico-.
La idea es antigua y su concepción se remonta a varias décadas. Los obstáculos tecnológicos, sin embargo, eran enormes. En los años 50 del siglo pasado era impensable contar con artefacctos de una dimensión de un grano de sal, o un ancho equivalente al cabello humano, conteniendo herramientas o efectuando procedimientos según les fuera indicado por una fuente externa.
El avance de la robótica, de la electrónica y de la nanotecnología, sin embargo, han ido sumando posibilidades para atravesar barreras que parecían imposibles. Este úlitimo desarrollo, sin culminar totalmente con la independencia total de los “nano-robots”, abre un camino práctico y a la vez sencillo para enfrentar los difíciles problemas de alimentación energética, miniaturización y sobre todo, capacidad de movimiento autónomo capaz de resistir e incluso moverse en el poderoso flujo de fluidos que se mueven en el interior del cuerpo. Pero, al parecer, lo han logrado.
La propuesta no deja de ser sencilla. Se trata de una “nano-placa” articulada, con superficies diferentes. Las “patas” están construidas con una hoja de platino de siete nanómetros (siete milésimas de milímetro) de grosor, fabricadas con la tecnología de iimpresión de semiconductores estándar (chip de computadoras, “litografiados”), a las que se les agrega de un lado un material inactivo -grafeno o titanio-.
Funcionan con movimientos que pueden parecer toscos, pero efectivos. Al sumergirse en fluidos y con un golpe de electricidad, las “piernas” atraen partículas en el agua que se adhieren al lado expuesto de la pierna, tirando de ella y “doblándola” hacia abajo, como una hoja de metal doblándose.
Al agregar estratégicamente parches de refuerzo en la “pierna” mientras se mantienen las “articulaciones” libres, el equipo pudo lograr que las piernas se doblen o se plieguen, como un origami japonés, imitando las flexiones de las rodillas al caminar o nadar.
De esta manera funcionan como motores o “actuadores”. Con corriente, se pliegan hacia adelante. Sin ella, se extienden. Y así se desplazan, a una velocidad de un cuerpo por minuto.
La energía la obtienen de dos células solares ubicadas en sus cuerpos. Ellas convierten la luz en electricidad proporcionando la energía que necesitan las piernas para moverse. Una celda controla las patas delanteras, otra las traseras. Al iluminar secuencialmente una luz hacia el panel que alimenta las patas delanteras y traseras, el cuerpo del robot se impulsa hacia adelante.
La dimensión de los nano-robots es de 40 micrones de ancho por 70 de largo, más pequeños que un alga unicelular, del ancho de un cabello humano. Son los artefactos electrónicos más pequeños fabricados hasta la fecha.
De alta resistencia -pueden soportar facilmente cambios de temperatura de hasta 100F- y más de una docena de órdenes de magnitud en concentraciones de ácido, su pequeño tamaño le permite soportar la succión de las agujas más estrechas sin sufrir daño y mantener su estructura y funcion en correcto estado y funcionamiento después de inyectarse en una ameba.
Su costo es asombrosamente bajo: cada uno, aún antes de comenzar su fabricación masiva, es de un milésimo de dólar.
Aunque son relativamente poco gastadores de energía -unos 10 nanovatios- también es cierto que las pruebas lo hacen muy rudimentarios. El agregado de sus partes realmente útiles para la función para la que se los use, requerirá proveerlos de más energía. Ello obliga a los nano-robots experimentales a estar unidos, como una marioneta, con fuentes externas de energía y mando, lo que es util para realizar todas las pruebas necesarias para su puesta a punto pero implica una limitación que debe superarse para su uso como robots autónomos. En este estado podrían usarse para tratamiento de tejidos de superficie -por ejemplo, en los ojos-.
Sin embargo, el trabajo para convertirlos en totalmente autónomos prosigue. De los dos aspectos -comando y energía- el primero será el más sencillo, ya que al responder a técnicas utilizadas en la informática podrán vincularse sin problemas con los controles externos (hablan el mismo “lenguaje”). El otro, el de la provisión eléctrica, avanza de la mano de las investigaciones sobre microelectrónica, generación alternativa de energía, captación de energía del propio cuerpo y otras alternativas tecnológicas conocidas que deben adaptarse a las necesidades de este sorprendente artefacto.
De cualquier manera, es un avance notable. No podemos verlos por su dimensión, pero están llamados a generar aportes insospechados a tareas médicas y biológicas hasta ahora limitadas por la accesibilidad o la extrema sensibilidad a los procedimientos invasivos.
Ricardo Lafferriere
Fuente de divulgación: Shelly Fan, en SingularityHub, “https://singularityhub.com/2020/09/08/an-army-of-microscopic-robots-is-ready-to-patrol-your-body/?utm_medium=email&utm_content=an-army-of-microscopic-robots-is-ready-to-patrol-your-body&utm_source=newsletter&utm_campaign=fy18-hub-daily-rss-newsletter&mkt_tok=eyJpIjoiWmpBMU5qUXdNVFZqTmpKaCIsInQiOiJtT2szRzNrdlhMUjFZOXBGYkxEMHRXOFVHbWVSK1dTb0Z6Ym52amdBWEh0N2gzREdoVXFHRkhQaGlhU3hRdDhrWFVoK0hvb2JTUHZBY2lIeG5tQXQyN1wvb1BCSkpGcnNPYXlpdXBkZWNrUCtkaVpEUFZNK1ZFaHREMzV3WXF3U0IifQ%3D%3D
Fuente científica: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2626-9
Video URL: https://youtu.be/2TjdGuBK9mI
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