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.
Los microbots 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 microbots 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.
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 a los robots de más de 1 milímetro como microbots o a los robots de más de 1 micrómetro como nanobots.
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]
Los microrobots emplean varios métodos de locomoción para navegar a través de diferentes entornos, desde superficies sólidas hasta fluidos. Estos métodos suelen estar inspirados en sistemas biológicos y están diseñados para ser eficaces a microescala. [16] Es necesario maximizar varios factores (precisión, velocidad, estabilidad) y otros deben minimizarse (consumo de energía, pérdida de energía) en el diseño y operación de la locomoción de microrobots para garantizar un movimiento preciso, efectivo y eficiente. [17]
Al describir la locomoción de los microrobots, se utilizan varios parámetros clave para caracterizar y evaluar su movimiento, incluida la longitud de la zancada y los costos de transporte. Una zancada se refiere a un ciclo completo de movimiento que incluye todos los pasos o fases necesarias para que un organismo o robot avance repitiendo una secuencia específica de acciones. La longitud de zancada (𝞴 s ) es la distancia recorrida por un microrobot en un ciclo completo de su mecanismo de locomoción. El costo de transporte (CoT) define el trabajo requerido para mover una unidad de masa de un microrobot una unidad de distancia [17]
Los microrobots que utilizan la locomoción superficial pueden moverse de diversas formas, como caminar, gatear, rodar o saltar. Estos microrobots enfrentan diferentes desafíos, como la gravedad y la fricción. Uno de los parámetros que describen la locomoción superficial es el número de Frounde, definido como:
Donde v es la velocidad del movimiento, g es el campo gravitacional y 𝞴s es la longitud de zancada. Un microrobot que demuestra un número de Froude bajo se mueve más lento y más estable a medida que dominan las fuerzas gravitacionales, mientras que un número de Froude alto indica que las fuerzas de inercia son más significativas, lo que permite un movimiento más rápido y potencialmente menos estable. [17]
El gateo es uno de los tipos de locomoción superficial más típicos. Los mecanismos empleados por los microrobots para gatear pueden diferir, pero normalmente incluyen el movimiento sincronizado de múltiples piernas o apéndices. El mecanismo de movimiento de los microrobots a menudo se inspira en animales como insectos, reptiles y pequeños mamíferos. Un ejemplo de microrobot rastrero es RoBeetle. El microrobot autónomo pesa 88 miligramos (aproximadamente el peso de tres granos de arroz). El robot funciona mediante la combustión catalítica de metanol. El diseño se basa en micromúsculos artificiales catalíticos controlables basados en NiTi-Pt con un mecanismo de control mecánico. [18]
Otras opciones para activar la locomoción superficial de los microrobots incluyen la actuación magnética, electromagnética, piezoeléctrica, electrostática y óptica.
Los microrobots nadadores están diseñados para operar en 3D a través de entornos fluidos, como fluidos biológicos o agua. Para lograr movimientos efectivos, se adoptan estrategias de locomoción de pequeños animales acuáticos o microorganismos, como la propulsión flagelar, el tirón, la propulsión química, la propulsión a chorro y la ondulación de la cola. Los microrobots nadadores, para poder avanzar, deben impulsar el agua hacia atrás. [17]
Los microrobots se mueven en el régimen de número de Reynolds bajo debido a sus pequeños tamaños y bajas velocidades de operación, así como a la alta viscosidad de los fluidos por los que navegan. En este nivel, las fuerzas viscosas dominan sobre las fuerzas de inercia. Esto requiere un enfoque diferente en el diseño en comparación con la natación a macroescala para lograr movimientos efectivos. El bajo número de Reynolds también permite movimientos precisos, lo que lo convierte en una buena aplicación en medicina, tareas de micromanipulación y monitoreo ambiental. [16] [17]
Las fuerzas de arrastre viscosas ( Stokes ) dominantes T, el arrastre sobre el robot, equilibran la fuerza de propulsión F p generada por un mecanismo de natación.
Donde b es el coeficiente de resistencia viscosa, v es la velocidad de movimiento y m es la masa corporal. [17]
Uno de los ejemplos de microrobot nadador es un microrobot magnético helicoidal que consta de una cola en espiral y un cuerpo de cabeza magnético. Este diseño está inspirado en el movimiento flagelar de las bacterias. Al aplicar un par magnético a un microrobot helicoidal dentro de un campo magnético giratorio de baja intensidad, la rotación se puede transformar en movimiento lineal. Esta conversión es muy eficaz en entornos con un número de Reynolds bajo debido a la estructura helicoidal única del microrobot. Al alterar el campo magnético externo, la dirección del movimiento del microrobot espiral se puede invertir fácilmente. [19]
En el caso específico de que los microrobots se encuentren en la interfaz aire-fluido, pueden aprovechar la tensión superficial y las fuerzas proporcionadas por el movimiento capilar. En el punto donde se unen el aire y un líquido, generalmente agua, es posible establecer una interfaz capaz de soportar el peso de los microrobots mediante el trabajo de la tensión superficial. La cohesión entre las moléculas de un líquido crea tensión superficial, que de otro modo crea una "piel" sobre la superficie del agua, permitiendo que los microrobots floten en lugar de hundirse. A través de tales conceptos, los microrobots podrían realizar funciones de locomoción específicas, como escalar, caminar, levitar, flotar o incluso saltar, explorando las características de la interfaz aire-fluido. [17] [20]
Debido a la tensión superficial, σ, la fuerza de flotación, F b , y la fuerza de curvatura, F c , desempeñan los papeles más importantes, particularmente a la hora de decidir si el microrobot flotará o se hundirá en la superficie del líquido. Esto se puede expresar como
F b se obtiene integrando la presión hidrostática sobre la zona del cuerpo en contacto con el agua. Por el contrario, F c se obtiene integrando la presión de curvatura sobre esta área o, alternativamente, la componente vertical de la tensión superficial, , a lo largo del perímetro de contacto. [21]
Un ejemplo de un microrobot trepador y andante que utiliza la locomoción aire-fluido es el microrobot ambulatorio con electroadhesión de Harvard (HAMR-E). [22] El sistema de control de HAMR-E está desarrollado para permitir que el robot funcione de manera flexible y maniobrable en un entorno desafiante. Entre sus características destaca su capacidad de moverse en planos horizontales, verticales e invertidos, lo que se ve facilitado por el sistema de electroadhesión. Este utiliza campos eléctricos para crear atracción electrostática, lo que hace que el robot se pegue y se mueva sobre diferentes superficies. [23] Con cuatro almohadillas compatibles y electroadhesivas, HAMR-E puede agarrar y deslizarse de forma segura sobre varios tipos de sustratos, incluidos vidrio, madera y metal. [22] El robot tiene un cuerpo delgado y es totalmente articulado, lo que facilita la realización de movimientos complejos y el equilibrio en cualquier superficie.
Los microrobots voladores son sistemas robóticos en miniatura meticulosamente diseñados para operar en el aire emulando los mecanismos de vuelo de insectos y pájaros. Estos microrobots tienen que superar los problemas relacionados con la sustentación, el empuje y el movimiento que son difíciles de lograr a una escala tan pequeña donde la mayoría de las teorías aerodinámicas deben modificarse. El vuelo activo es el modo de locomoción que consume más energía, ya que el microrobot debe levantar el peso de su cuerpo mientras se impulsa hacia adelante. [17] Para lograr esta función, estos microrobots imitan el movimiento de las alas de los insectos y generan el flujo de aire necesario para producir elevación y empuje. Las alas miniaturizadas de los robots se accionan con materiales piezoeléctricos , que ofrecen un mejor control de la cinemática del ala y la dinámica de vuelo. [24]
Para calcular la potencia aerodinámica necesaria para mantener un vuelo estacionario con alas batiendo, la ecuación física principal se expresa como
donde m es la masa corporal, L es la longitud del ala, Φ representa la amplitud del aleteo en radianes, ρ indica la densidad del aire y Vi corresponde a la velocidad inducida del aire que rodea el cuerpo, consecuencia del aleteo y la rotación de las alas. movimientos. Esta ecuación ilustra que un pequeño insecto o dispositivo robótico debe impartir suficiente impulso al aire circundante para contrarrestar su propio peso. [25]
Un ejemplo de un microrobot volador que utiliza locomoción voladora es RoboBee y DelFly Nimble, [26] [27] que, en cuanto a la dinámica de vuelo, emulan a las abejas y a las moscas de la fruta, respectivamente. La Universidad de Harvard inventó el RoboBee, un robot en miniatura que imita una mosca abeja, despega y aterriza como tal y se mueve en espacios reducidos. Se puede utilizar en operaciones de polinización y búsqueda autónomas de personas y cosas desaparecidas. El DelFly Nimble, desarrollado por la Universidad Tecnológica de Delft, es uno de los microvehículos aéreos más ágiles que puede imitar la maniobrabilidad de una mosca de la fruta realizando diferentes trucos debido a su mínimo peso y sus avanzados mecanismos de control. [26] [27]
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:
.png/1280px-Bio-inspired_hybrid_multifunctional_drug_delivery_system_(cropped).png)
Los micronadadores biohíbridos, compuestos principalmente por actuadores biológicos integrados y transportadores de carga sintéticos, se han mostrado recientemente prometedores hacia aplicaciones teranósticas mínimamente invasivas . [31] [32] [33] [34] Se han utilizado varios microorganismos, incluidas bacterias, [35] [36] microalgas , [37] [38] y espermatozoides , [39] [40] 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. [41] Dirigibilidad de los transportadores de carga sintéticos con campos externos aplicados de largo alcance, como campos acústicos o magnéticos, [42] [43] y comportamientos de taxis intrínsecos de los actuadores biológicos hacia diversos estímulos ambientales, como quimioatrayentes , [44] El pH y el oxígeno [45] [46] hacen de los micronadadores biohíbridos un candidato prometedor para una amplia gama de aplicaciones médicas de entrega de carga activa. [41] [28]
Por ejemplo, existen microrobots biocompatibles basados en microalgas para la administración activa de fármacos en los pulmones y el tracto gastrointestinal, [47] [48] [49] y microrobots bacterianos diseñados con guía magnética para 'objetivos de precisión' [50] para combatir el cáncer [ 51] [52] que todos han sido probados con ratones.
El material fue copiado de esta fuente, que está disponible bajo una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0.El material fue copiado de esta fuente, que está disponible bajo una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0.El material fue copiado de esta fuente, que está disponible bajo una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0.
