stringtranslate.com

microbótica

Minirobots Jasmine, cada uno de menos de 3 cm (1 pulgada) de ancho

La microbótica (o microrobótica ) es el campo de la robótica en miniatura , en particular los robots móviles con dimensiones características inferiores a 1 mm. El término también se puede utilizar para robots capaces de manipular componentes de tamaño micrométrico.

Historia

Los microrobots nacieron gracias a la aparición del microcontrolador en la última década del siglo XX, y la aparición de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) sobre silicio, aunque muchos microrobots no utilizan el silicio para componentes mecánicos distintos de los sensores.La primera investigación y diseño conceptual de estos pequeños robots se llevó a cabo a principios de la década de 1970 en la (entonces) investigación clasificada para las agencias de inteligencia estadounidenses . Las aplicaciones previstas en ese momento incluían asistencia de rescate de prisioneros de guerra y misiones de interceptación electrónica. Las tecnologías de soporte de miniaturización subyacentes no estaban completamente desarrolladas en ese momento, por lo que el progreso en el desarrollo de prototipos no se produjo inmediatamente a partir de este conjunto inicial de cálculos y diseño conceptual. [1] A partir de 2008, los microrobots más pequeños utilizan un actuador de accionamiento scratch . [2]

El desarrollo de las conexiones inalámbricas , especialmente Wi-Fi (es decir, en redes domésticas ) ha aumentado considerablemente la capacidad de comunicación de los microbots y, en consecuencia, su capacidad de coordinarse con otros microbots para realizar tareas más complejas. De hecho, muchas investigaciones recientes se han centrado en la comunicación de microbots, incluido un enjambre de 1.024 robots en la Universidad de Harvard que se ensambla en varias formas; [3] y fabricar microrobots en SRI International para el programa "MicroFactory for Macro Products" de DARPA que pueden construir estructuras livianas y de alta resistencia. [4] [5]

También se han construido microrobots llamados xenobots utilizando tejidos biológicos en lugar de metal y electrónica. [6] Los xenobots evitan algunas de las complicaciones tecnológicas y ambientales de los microbots tradicionales, ya que son autoalimentados, biodegradables y biocompatibles.

Definiciones

Si bien el prefijo "micro" se ha utilizado subjetivamente para significar "pequeño", la estandarización en escalas de longitud evita confusiones. Por lo tanto, un nanorobot tendría dimensiones características iguales o inferiores a 1 micrómetro, o manipularía componentes en el rango de tamaño de 1 a 1000 nm. [ cita necesaria ] Un microrobot tendría dimensiones características inferiores a 1 milímetro, un milirobot tendría dimensiones inferiores a un cm, un minirobot tendría dimensiones inferiores a 10 cm (4 pulgadas) y un robot pequeño tendría dimensiones inferiores a 100 cm (39 pulgadas). [7]

Muchas fuentes también describen los robots de más de 1 milímetro como microbots o los robots de más de 1 micrómetro como nanobots. Ver también: Categoría: Microrobots

Consideraciones de diseño

La forma en que se mueven los microrobots está en función de su propósito y tamaño necesario. En tamaños submicrónicos, el mundo físico exige formas bastante extrañas de moverse. El número de Reynolds para robots aéreos es menor que la unidad; las fuerzas viscosas dominan las fuerzas de inercia , por lo que "volar" podría utilizar la viscosidad del aire, en lugar del principio de sustentación de Bernoulli . Los robots que se mueven a través de fluidos pueden requerir flagelos giratorios como la forma móvil de E. coli . Saltar es sigiloso y ahorra energía; permite al robot negociar las superficies de una variedad de terrenos. [8] Cálculos pioneros (Solem 1994) examinaron posibles comportamientos basados ​​en realidades físicas. [9]

Uno de los principales desafíos en el desarrollo de un microrobot es lograr movimiento utilizando una fuente de alimentación muy limitada . Los microrobots pueden utilizar una fuente de batería pequeña y liviana , como una celda de moneda, o pueden extraer energía del entorno circundante en forma de vibración o energía luminosa. [10] Los microrobots ahora también utilizan motores biológicos como fuentes de energía, como la Serratia marcescens flagelada , para extraer energía química del fluido circundante para accionar el dispositivo robótico. Estos biorobots pueden controlarse directamente mediante estímulos como la quimiotaxis o la galvanotaxis con varios esquemas de control disponibles. Una alternativa popular a una batería integrada es alimentar los robots utilizando energía inducida externamente. Los ejemplos incluyen el uso de campos electromagnéticos, [11] ultrasonidos y luz para activar y controlar micro robots. [12]

El estudio de 2022 se centró en un enfoque fotobiocatalítico para el "diseño de microrobots impulsados ​​por luz con aplicaciones en microbiología y biomedicina". [13] [14] [15]

Tipos y aplicaciones

Debido a su pequeño tamaño, los microrobots son potencialmente muy baratos y podrían usarse en grandes cantidades ( robótica de enjambre ) para explorar entornos que son demasiado pequeños o demasiado peligrosos para personas o robots más grandes. Se espera que los microrobots sean útiles en aplicaciones como buscar supervivientes en edificios derrumbados tras un terremoto o gatear por el tracto digestivo. Lo que a los microrobots les falta en fuerza o poder computacional, lo pueden compensar usando grandes cantidades, como en enjambres de microrobots.

Las posibles aplicaciones con prototipos demostrados incluyen:

Microrobots médicos

Micronadadores bacterianos biohíbridos  [16]
Sistema de administración de fármacos micronadador de diatomita biohíbrido
Superficie frústula de diatomea funcionalizada con moléculas fotoactivables (esferas naranjas) unidas a la vitamina B-12 (esfera roja) que actúa como una etiqueta dirigida al tumor. El sistema puede cargarse con fármacos quimioterapéuticos (esferas de color azul claro), que pueden administrarse selectivamente a las células de cáncer colorrectal. Además, las micropartículas de diatomita se pueden fotoactivar para generar monóxido de carbono o radicales libres que inducen la apoptosis de las células tumorales. [17] [18]

Los micronadadores biohíbridos, compuestos principalmente por actuadores biológicos integrados y transportadores de carga sintéticos, se han mostrado recientemente prometedores hacia aplicaciones teranósticas mínimamente invasivas . [19] [20] [21] [22] Se han utilizado varios microorganismos, incluidas bacterias, [23] [24] microalgas , [25] [26] y espermatozoides , [27] [28] para fabricar diferentes micronadadores biohíbridos con funcionalidades médicas avanzadas, como control autónomo con estímulos ambientales para apuntar, navegación a través de espacios estrechos y acumulación en regiones necróticas de entornos tumorales. [29] Dirigibilidad de los transportadores de carga sintéticos con campos externos aplicados de largo alcance, como campos acústicos o magnéticos, [30] [31] y comportamientos de taxis intrínsecos de los actuadores biológicos hacia diversos estímulos ambientales, como quimioatrayentes , [32] El pH y el oxígeno [33] [34] hacen de los micronadadores biohíbridos un candidato prometedor para una amplia gama de aplicaciones médicas de entrega de carga activa. [29] [16]

Por ejemplo, existen microrobots biocompatibles basados ​​en microalgas para la administración activa de fármacos en los pulmones y el tracto gastrointestinal, [35] [36] [37] y microrobots bacterianos diseñados con guía magnética para 'objetivos de precisión' [38] para combatir el cáncer [ 39] [40] que todos han sido probados con ratones.

Ver también

Referencias

  1. ^ Solem, JC (1996). "La aplicación de la microrrobótica en la guerra". Informe Técnico del Laboratorio Nacional de Los Álamos LAUR-96-3067 . doi : 10.2172/369704 .
  2. ^ "Ballet microrobótico". Universidad de Duke . 2 de junio de 2008. Archivado desde el original el 3 de abril de 2011 . Consultado el 24 de agosto de 2014 .
  3. ^ Hauert, Sabine (14 de agosto de 2014). "Un enjambre de mil robots se reúne en formas". Ars Técnica . Consultado el 24 de agosto de 2014 .
  4. ^ Misra, Ria (22 de abril de 2014). "Este enjambre de microbots inspirados en insectos es inquietantemente inteligente". io9 . Consultado el 24 de agosto de 2014 .
  5. ^ Templo, James (16 de abril de 2014). "SRI presenta pequeños robots listos para construir grandes cosas". re/código . Archivado desde el original el 25 de agosto de 2014 . Consultado el 24 de agosto de 2014 .
  6. ^ Kriegman, Sam; Blackiston, Douglas; Levin, Michael; Bongard, Josh (2020). "Un canal escalable para diseñar organismos reconfigurables". Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . 117 (4): 1853–1859. Código Bib : 2020PNAS..117.1853K. doi : 10.1073/pnas.1910837117 . PMC 6994979 . PMID  31932426. 
  7. ^ "Microrrobótica: pequeños robots y sus múltiples usos | Integrado". construidoin.com . Consultado el 26 de enero de 2024 .
  8. ^ Solem, JC (1994). "La motilidad de los microrobots". En Langton, C. (ed.). Vida artificial III: Actas del taller sobre vida artificial, junio de 1992, Santa Fe, NM. Actas, Instituto Santa Fe estudios en ciencias de la complejidad. vol. 17. Estudios del Instituto Santa Fe en Ciencias de la Complejidad (Addison-Wesley, Reading, MA). págs. 359–380.
  9. ^ Kristensen, Lars Kroll (2000). "Aintz: un estudio de propiedades emergentes en un modelo de búsqueda de alimento por hormigas". En Bedau, MA; et al. (eds.). Vida artificial VII: Actas de la Séptima Conferencia Internacional sobre Vida Artificial . Prensa del MIT. pag. 359.ISBN​ 9780262522908.
  10. ^ Meinhold, Bridgette (31 de agosto de 2009). "Enjambres de microrobots solares pueden revolucionar la recopilación de datos". Habitat .
  11. ^ Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (18 de enero de 2019). "Los investigadores desarrollan microrobots inteligentes que pueden adaptarse a su entorno". Phys.org .
  12. ^ Chang, Suk Tai; Paunov, Vesselin N.; Petsev, Dimiter N.; Velev, Orlin D. (marzo de 2007). "Partículas y microbombas autopropulsadas remotamente basadas en diodos en miniatura". Materiales de la naturaleza . 6 (3): 235–240. Código bibliográfico : 2007NatMa...6..235C. doi :10.1038/nmat1843. ISSN  1476-1122. PMID  17293850. S2CID  20558069.
  13. ^ Villa, Catalina; Sofía, Hanna; Zelenka, Jaroslav; Motola, Martín; Dekanovsky, Lucas; Beketova, Darya Chylii; Macak, Jan M.; Ruml, Tomaš; Pumera, Martín (5 de febrero de 2022). "Microrobot en tándem enzima-fotocatalizador impulsado por urea para la erradicación de biopelículas de Escherichia coli". Pequeño . 18 (36): 2106612. doi : 10.1002/smll.202106612 . ISSN  1613-6810. PMID  35122470.
  14. ^ Jones, Nicolás. "Revolucionando la robótica y los AGV con control de conducción avanzado". ds200sdccg4a.com . Consultado el 26 de enero de 2024 .
  15. ^ Química, Universidad de; Praga, Tecnología. "Nueva investigación sobre un microrobot impulsado por urea para la erradicación de biopelículas de E. coli". phys.org . Consultado el 22 de julio de 2022 .
  16. ^ ab Buss, Nicole; Yasa, Oncay; Alapan, Yunus; Akolpoglu, Mukrime Birgul; Sitti, Metin (2020). "Micronadadores biohíbridos funcionalizados con nanoeritrosomas". Bioingeniería APL . 4 (2): 026103. doi : 10.1063/1.5130670. PMC 7141839 . PMID  32548539.  El material fue copiado de esta fuente, que está disponible bajo una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0.
  17. ^ Delasoie, Joaquín; Schiel, Philippe; Vojnovic, Sandra; Nikodinovic-Runic, Jasmina; Zobi, Fabio (25 de mayo de 2020). "Microalgas de diatomeas fotoactivables funcionalizadas en superficie para la administración dirigida al cáncer colorrectal y citotoxicidad mejorada de complejos anticancerígenos". Farmacéutica . 12 (5). MDPI AG: 480. doi : 10.3390/farmacéutica12050480 . ISSN  1999-4923. PMC 7285135 . PMID  32466116.  El material fue copiado de esta fuente, que está disponible bajo una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0.
  18. ^ Tramontano, Chiara; Chianese, Giovanna; Terracciano, Mónica; de Stefano, Luca; Rea, Ilaria (28 de septiembre de 2020). "Biosílice nanoestructurada de diatomeas: del mundo acuático a las aplicaciones biomédicas". Ciencias Aplicadas . 10 (19). MDPI AG: 6811. doi : 10.3390/app10196811 . ISSN  2076-3417. El material fue copiado de esta fuente, que está disponible bajo una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0.
  19. ^ Hosseinidoust, Zeinab; Mostaghaci, Babak; Yasa, Oncay; Park, Byung Wook; Singh, Ajay Vikram; Sitti, Metin (2016). "Sistemas basados ​​en bacterias biohíbridas y de bioingeniería para la administración de medicamentos". Reseñas de administración avanzada de medicamentos . 106 (Parte A): 27–44. doi :10.1016/j.addr.2016.09.007. PMID  27641944.
  20. ^ Schwarz, Lucas; Medina Sánchez, Mariana; Schmidt, Oliver G. (2017). "Biomicromotores híbridos". Revisiones de Física Aplicada . 4 (3): 031301. Código bibliográfico : 2017ApPRv...4c1301S. doi : 10.1063/1.4993441 .
  21. ^ Bastos-Arrieta, Julio; Revilla-Guarinos, Ainhoa; Uspal, William E.; Simmchen, Juliane (2018). "Micronadadores biohíbridos bacterianos". Fronteras en robótica e inteligencia artificial . 5 : 97. doi : 10.3389/frobt.2018.00097 . PMC 7805739 . PMID  33500976. 
  22. ^ Erkoc, Pelin; Yasa, Immihan C.; Ceilán, Hakan; Yasa, Oncay; Alapan, Yunus; Sitti, Metin (2019). "Microrobots móviles para la prestación terapéutica activa". Terapéutica avanzada . 2 . doi : 10.1002/adtp.201800064 . S2CID  88204894.
  23. ^ Parque, Byung-Wook; Zhuang, Jiang; Yasa, Oncay; Sitti, Metin (2017). "Micronadadores multifuncionales impulsados ​​por bacterias para la administración dirigida de fármacos activos". ACS Nano . 11 (9): 8910–8923. doi : 10.1021/acsnano.7b03207. PMID  28873304.
  24. ^ Singh, Ajay Vikram; Hosseinidoust, Zeinab; Park, Byung Wook; Yasa, Oncay; Sitti, Metin (2017). "Micronadadores impulsados ​​por bacterias blandas a base de microemulsión para la entrega activa de carga". ACS Nano . 11 (10): 9759–9769. doi : 10.1021/acsnano.7b02082. PMID  28858477.
  25. ^ Weibel, DB; Garstecki, P.; Ryan, D.; Diluzio, WR; Mayer, M.; Seto, JE; Whitesides, GM (2005). "Microoxen: Microorganismos para mover cargas a microescala". Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . 102 (34): 11963–11967. Código Bib : 2005PNAS..10211963W. doi : 10.1073/pnas.0505481102 . PMC 1189341 . PMID  16103369. 
  26. ^ Yasa, Oncay; Erkoc, Pelin; Alapan, Yunus; Sitti, Metin (2018). "Micronadadores impulsados ​​por microalgas hacia la entrega activa de carga". Materiales avanzados . 30 (45): e1804130. Código Bib : 2018AdM....3004130Y. doi :10.1002/adma.201804130. PMID  30252963. S2CID  52823884.
  27. ^ Xu, Haifeng; Medina Sánchez, Mariana; Magdanz, Verónica; Schwarz, Lucas; Hebenstreit, Franziska; Schmidt, Oliver G. (2018). "Micromotor híbrido de esperma para la administración dirigida de fármacos". ACS Nano . 12 (1): 327–337. arXiv : 1703.08510 . doi : 10.1021/acsnano.7b06398 . PMID  29202221.
  28. ^ Chen, Chuanrui; Chang, Xiaocong; Angsantikul, Pavimol; Li, Jinxing; Esteban-Fernández De Ávila, Berta; Karshalev, Emil; Liu, Wenjuan; Mou, Fangzhi; Él, Sha; Castillo, Roxana; Liang, Yuyan; Guan, Jianguo; Zhang, Liangfang; Wang, José (2018). "Orientación quimiotáctica de micromotores de esperma funcionalizados con cargas útiles orgánicas e inorgánicas sintéticas". Biosistemas avanzados . 2 . doi : 10.1002/adbi.201700160 . S2CID  103392074.
  29. ^ ab Alapan, Yunus; Yasa, Oncay; Yigit, Berk; Yasa, I. Ceren; Erkoc, Pelin; Sitti, Metin (2019). "Microrrobótica y microorganismos: robots celulares autónomos biohíbridos". Revisión Anual de Control, Robótica y Sistemas Autónomos . 2 : 205–230. doi : 10.1146/annurev-control-053018-023803. S2CID  139819519.
  30. ^ Wu, Zhiguang; Li, Tianlong; Li, Jinxing; Gao, Wei; Xu, Tailin; Christianson, Caleb; Gao, Weiwei; Galarnyk, Michael; Él, Qiang; Zhang, Liangfang; Wang, José (2014). "Convertir eritrocitos en micromotores funcionales". ACS Nano . 8 (12): 12041–12048. doi :10.1021/nn506200x. PMC 4386663 . PMID  25415461. 
  31. ^ Alapan, Yunus; Yasa, Oncay; Schauer, Oliver; Giltinan, Josué; Tabak, Ahmet F.; Sourjik, Víctor; Sitti, Metin (2018). "Micronadadores bacterianos blandos a base de eritrocitos para la entrega de carga". Robótica científica . 3 (17). doi : 10.1126/scirobotics.aar4423 . PMID  33141741. S2CID  14003685.
  32. ^ Zhuang, Jiang; Sitti, Metin (2016). "Quimiotaxis de micronadadores biohíbridos impulsados ​​por múltiples bacterias". Informes científicos . 6 : 32135. Código Bib : 2016NatSR...632135Z. doi :10.1038/srep32135. PMC 4995368 . PMID  27555465. 
  33. ^ Zhuang, Jiang; Wright Carlsen, Rika; Sitti, Metin (2015). "PH-Taxis de microsistemas biohíbridos". Informes científicos . 5 : 11403. Código Bib : 2015NatSR...511403Z. doi :10.1038/srep11403. PMC 4466791 . PMID  26073316. 
  34. ^ Felfoul, Ouajdi; Mohammadi, Mahmood; Taherkhani, Samira; De Lanauze, Dominic; Zhong Xu, Yong; Loghin, Dumitru; Essa, Sherief; Jancik, Sylwia; Houlé, Daniel; Lafleur, Michel; Gaboury, Luis; Tabriziano, Maryam; Kaou, Neila; Atkin, Michael; Vuong, Té; Batista, Gerald; Beauchemin, Nicole; Radzioch, Danuta; Martel, Sylvain (2016). "Las bacterias magnetoaerotácticas administran nanoliposomas que contienen fármacos a las regiones hipóxicas del tumor". Nanotecnología de la naturaleza . 11 (11): 941–947. Código Bib : 2016NatNa..11..941F. doi :10.1038/nnano.2016.137. PMC 6094936 . PMID  27525475. 
  35. ^ "Los micromotores de algas se unen a las filas para la administración dirigida de medicamentos". Noticias de química e ingeniería . Consultado el 19 de octubre de 2022 .
  36. ^ Zhang, Fangyu; Zhuang, Jia; Li, Zhengxing; Gong, Hua; de Ávila, Berta Esteban-Fernández; Duan, Yaou; Zhang, Qiangzhe; Zhou, Jiarong; Yin, Lu; Karshalev, Emil; Gao, Weiwei; Nizet, Víctor; Colmillo, Ronnie H.; Zhang, Liangfang; Wang, Joseph (22 de septiembre de 2022). "Microrobots modificados con nanopartículas para la administración de antibióticos in vivo para tratar la neumonía bacteriana aguda". Materiales de la naturaleza . 21 (11): 1324-1332. Código Bib : 2022NatMa..21.1324Z. doi :10.1038/s41563-022-01360-9. ISSN  1476-4660. PMC 9633541 . PMID  36138145. 
  37. ^ Zhang, Fangyu; Li, Zhengxing; Duan, Yaou; Abbas, Amal; Mundaca-Uribe, Rodolfo; Yin, Lu; Luan, Hao; Gao, Weiwei; Colmillo, Ronnie H.; Zhang, Liangfang; Wang, Joseph (28 de septiembre de 2022). "Administración de fármacos en el tracto gastrointestinal mediante motores de algas integrados en una cápsula degradable". Robótica científica . 7 (70): eabo4160. doi : 10.1126/scirobotics.abo4160. ISSN  2470-9476. PMC 9884493 . PMID  36170380. S2CID  252598190. 
  38. ^ Schmidt, Christine K.; Medina Sánchez, Mariana; Edmondson, Richard J.; Schmidt, Oliver G. (5 de noviembre de 2020). "Ingeniería de microrobots para terapias dirigidas contra el cáncer desde una perspectiva médica". Comunicaciones de la naturaleza . 11 (1): 5618. Código bibliográfico : 2020NatCo..11.5618S. doi : 10.1038/s41467-020-19322-7 . ISSN  2041-1723. PMC 7645678 . PMID  33154372. 
  39. ^ Thompson, Joanna. "Estos pequeños robots magnéticos pueden infiltrarse en tumores y tal vez destruir el cáncer". Inverso . Consultado el 21 de noviembre de 2022 .
  40. ^ Gwisai, T.; Mirkhani, N.; Christiansen, MG; Nguyen, TT; Ling, V.; Schuerle, S. (26 de octubre de 2022). "Microrobots vivos impulsados ​​por torque magnético para una mayor infiltración de tumores". Robótica científica . 7 (71): eabo0665. bioRxiv 10.1101/2022.01.03.473989 . doi : 10.1126/scirobotics.abo0665. ISSN  2470-9476. PMID  36288270. S2CID  253160428.