La biorobótica es una ciencia interdisciplinaria que combina los campos de la ingeniería biomédica , la cibernética y la robótica para desarrollar nuevas tecnologías que integran la biología con sistemas mecánicos para desarrollar una comunicación más eficiente, alterar la información genética y crear máquinas que imiten los sistemas biológicos. [1]
La cibernética se centra en la comunicación y el sistema de organismos vivos y máquinas que pueden aplicarse y combinarse con múltiples campos de estudio como biología, matemáticas, informática, ingeniería y mucho más. [2]
Esta disciplina se enmarca en la rama de la biorobótica debido a su campo de estudio combinado entre cuerpos biológicos y sistemas mecánicos. El estudio de estos dos sistemas permite realizar un análisis avanzado de las funciones y procesos de cada sistema, así como de las interacciones entre ellos. [2]
La teoría cibernética es un concepto que existe desde hace siglos, remontándose a la época de Platón donde aplicó el término para referirse a la "gobernanza de las personas". El término cibernética fue utilizado a mediados del siglo XIX por el físico André-Marie Ampère. [2] [3] El término cibernética se popularizó a finales de la década de 1940 para referirse a una disciplina que tocaba, pero estaba separada, de disciplinas establecidas, como la ingeniería eléctrica, las matemáticas y la biología. [3]
La cibernética a menudo se malinterpreta debido a la amplitud de disciplinas que abarca. A principios del siglo XX, se acuñó como un campo de estudio interdisciplinario que combina biología, ciencia, teoría de redes e ingeniería. Hoy en día, cubre todos los campos científicos con procesos relacionados con sistemas. El objetivo de la cibernética es analizar sistemas y procesos de cualquier sistema o sistemas en un intento de hacerlos más eficientes y efectivos. [2] [3]
La cibernética se utiliza como un término general, por lo que las aplicaciones se extienden a todos los campos científicos relacionados con los sistemas, como la biología, las matemáticas, la informática, la ingeniería, la gestión, la psicología, la sociología, el arte y más. La cibernética se utiliza en varios campos para descubrir principios de sistemas, adaptación de organismos, análisis de información y mucho más. [4]
La ingeniería genética es un campo que utiliza avances en la tecnología para modificar organismos biológicos. A través de diferentes métodos, los científicos pueden alterar el material genético de microorganismos, plantas y animales para proporcionarles rasgos deseables. Por ejemplo, hacer que las plantas crezcan más, mejor y más rápido. [5] La ingeniería genética se incluye en la biorrobótica porque utiliza nuevas tecnologías para alterar la biología y cambiar el ADN de un organismo para su beneficio y el de la sociedad. [6] [7]
Aunque los humanos han modificado el material genético de animales y plantas mediante selección artificial durante milenios (como las mutaciones genéticas que convirtieron el teosinte en maíz y los lobos en perros), la ingeniería genética se refiere a la alteración o inserción deliberada de genes específicos en el ADN de un organismo. El primer caso exitoso de ingeniería genética ocurrió en 1973 cuando Herbert Boyer y Stanley Cohen lograron transferir un gen con resistencia a los antibióticos a una bacteria. [8] [9] [10]
Hay tres técnicas principales utilizadas en ingeniería genética: el método del plásmido, el método del vector y el método biolístico.
Esta técnica se utiliza principalmente para microorganismos como bacterias. Mediante este método, se extraen de las bacterias moléculas de ADN llamadas plásmidos y se colocan en un laboratorio donde las enzimas de restricción las descomponen. A medida que las enzimas descomponen las moléculas, algunas desarrollan un borde áspero que se asemeja al de una escalera que se considera "pegajosa" y capaz de reconectarse. Estas moléculas 'pegajosas' se insertan en otra bacteria donde se conectarán a los anillos de ADN con el material genético alterado. [11]
El método del vector se considera una técnica más precisa que el método del plásmido, ya que implica la transferencia de un gen específico en lugar de una secuencia completa. En el método del vector, se aísla un gen específico de una cadena de ADN mediante enzimas de restricción en un laboratorio y se inserta en un vector. Una vez que el vector acepta el código genético, se inserta en la célula huésped donde se transferirá el ADN. [11]
El método biolístico se utiliza normalmente para alterar el material genético de las plantas. Este método incorpora el ADN deseado con una partícula metálica como oro o tungsteno en una pistola de alta velocidad. Luego, la partícula es bombardeada hacia el interior de la planta. Debido a las altas velocidades y al vacío generado durante el bombardeo, la partícula es capaz de penetrar la pared celular e insertar el nuevo ADN en la célula. [12]
La ingeniería genética tiene muchos usos en los campos de la medicina, la investigación y la agricultura. En el campo médico, las bacterias genéticamente modificadas se utilizan para producir medicamentos como insulina, hormonas de crecimiento humano y vacunas. En la investigación, los científicos modifican genéticamente organismos para observar cambios físicos y de comportamiento para comprender la función de genes específicos. En la agricultura, la ingeniería genética es extremadamente importante, ya que los agricultores la utilizan para cultivar cultivos resistentes a los herbicidas y a insectos como el BTCorn. [13] [14]
La biónica es un campo de la ingeniería médica y una rama de la biorrobótica que consta de sistemas eléctricos y mecánicos que imitan sistemas biológicos, como prótesis y audífonos. Es un acrónimo que combina biología y electrónica.
La historia de la biónica se remonta al antiguo Egipto. En el pie de una momia se encontró una prótesis de dedo hecha de madera y cuero. Se estima que la época del cadáver de la momia data aproximadamente del siglo XV a. C. La biónica también se puede presenciar en la antigua Grecia y Roma. Se fabricaron prótesis de piernas y brazos para soldados amputados. A principios del siglo XVI, un cirujano militar francés llamado Ambroise Paré se convirtió en un pionero en el campo de la biónica. Era conocido por fabricar varios tipos de prótesis superiores e inferiores. Una de sus prótesis más famosas, Le Petit Lorrain, era una mano mecánica accionada por pestillos y resortes. A principios del siglo XIX, Alessandro Volta avanzó aún más en la biónica. Con sus experimentos sentó las bases para la creación de audífonos. Descubrió que la estimulación eléctrica podía restaurar la audición insertando un implante eléctrico en el nervio sacular del oído del paciente. En 1945, la Academia Nacional de Ciencias creó el Programa de Miembros Artificiales, que se centró en mejorar las prótesis ya que había un gran número de soldados amputados en la Segunda Guerra Mundial. Desde esta creación, los materiales protésicos, los métodos de diseño por computadora y los procedimientos quirúrgicos han mejorado, creando la biónica moderna. [15]
Los componentes importantes que componen las prótesis modernas son el pilón, el encaje y el sistema de suspensión. El pilón es el marco interno de la prótesis que está formado por varillas metálicas o compuestos de fibra de carbono. El encaje es la parte de la prótesis que conecta la prótesis con el miembro faltante de la persona. El encaje consta de un forro suave que hace que el ajuste sea cómodo, pero también lo suficientemente ajustado como para permanecer en la extremidad. El sistema de suspensión es importante para mantener la prótesis en la extremidad. El sistema de suspensión suele ser un sistema de arnés formado por correas, cinturones o mangas que se utilizan para mantener sujeta la extremidad.
El funcionamiento de una prótesis podría diseñarse de diversas formas. La prótesis podría ser impulsada por el cuerpo, externamente o mioeléctricamente. Las prótesis impulsadas por el cuerpo consisten en cables unidos a una correa o arnés, que se coloca en el hombro funcional de la persona, lo que le permite manipular y controlar la prótesis como mejor le parezca. Las prótesis alimentadas externamente constan de motores para alimentar la prótesis y botones e interruptores para controlar la prótesis. Las prótesis accionadas mioeléctricamente son formas nuevas y avanzadas de prótesis en las que se colocan electrodos en los músculos situados encima de la extremidad. Los electrodos detectarán las contracciones musculares y enviarán señales eléctricas a la prótesis para moverla. La desventaja de este tipo de prótesis es que si los sensores no se colocan correctamente en la extremidad, los impulsos eléctricos no lograrán mover la prótesis. [16] TrueLimb es una marca específica de prótesis que utiliza sensores mioeléctricos que permiten a una persona tener control de su extremidad biónica. [dieciséis]
Cuatro componentes principales componen el audífono: el micrófono, el amplificador, el receptor y la batería. El micrófono capta el sonido exterior, lo convierte en señales eléctricas y las envía al amplificador. El amplificador aumenta el sonido y lo envía al receptor. El receptor vuelve a convertir la señal eléctrica en sonido y envía el sonido al oído. Las células ciliadas del oído detectarán las vibraciones del sonido, las convertirán en señales nerviosas y las enviarán al cerebro para que los sonidos puedan volverse coherentes para la persona. La batería simplemente alimenta el audífono. [17]
Los implantes cocleares son un tipo de audífono para personas sordas. Los implantes cocleares envían señales eléctricas directamente al nervio auditivo, el nervio responsable de las señales sonoras, en lugar de simplemente enviar señales al canal auditivo como los audífonos normales.
Estos audífonos también se utilizan para personas con pérdida auditiva grave. Se adhieren a los huesos del oído medio para crear vibraciones sonoras en el cráneo y enviar esas vibraciones a la cóclea.
Esta piel con detección artificial detecta cualquier presión que se ejerza sobre ella y está destinada a personas que han perdido la sensación en partes de su cuerpo, como los diabéticos con neuropatía periférica.
El ojo biónico es un implante bioelectrónico que devuelve la visión a personas ciegas.
El ojo biónico, aunque aún no es perfecto, ayudó a 5 personas clasificadas como legalmente ciegas a distinguir letras nuevamente. [18]
Como la retina tiene millones de fotorreceptores, es muy difícil replicarla con tecnología. Es por esto que esta tecnología aún no es 100% efectiva pero se mejora día a día. [18]
La biónica ortopédica consiste en miembros biónicos avanzados que utilizan el sistema neuromuscular de una persona para controlar el miembro biónico. Un nuevo avance en la comprensión de la función cerebral ha llevado al desarrollo y la implementación de interfaces cerebro-máquina (IMC). [19] Los IMC permiten el procesamiento de mensajes neuronales entre las regiones motoras del cerebro y los músculos de una extremidad específica para iniciar el movimiento. [19] Los IMC contribuyen en gran medida a la restauración del movimiento independiente de una persona que tiene un miembro biónico o un exoesqueleto. [19]
Estos robóticos pueden extirpar un pólipo durante una colonoscopia.
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