Científicos crearon robots más pequeños que un grano de sal: cuáles son sus sorprendentes funciones

Expertos de la Universidad de Pensilvania y de la Universidad de Michigan crearon robots autónomos y programables que están entre los más diminutos del mundo.

Según lo publicado en Science Robotics y Proceedings of the National Academy of Sciences, estas máquinas microscópicas, apenas perceptibles a simple vista, pueden ejecutar tareas durante meses de manera completamente autónoma.

Su diminuto tamaño, de aproximadamente doscientos por trescientos por cincuenta micrómetros, las sitúa por debajo de la dimensión de un grano de sal, operando en la misma escala que diversos microorganismos biológicos.

Las características técnicas distinguen a estos dispositivos como pioneros en su categoría: los nuevos robots llevan integrados sensores electrónicos y una computadora, lo que les permite detectar temperatura, ajustar trayectorias y tomar decisiones de forma independiente.

Esta autonomía, tradicionalmente reservada a robots de mayor tamaño, se consigue sin necesidad de cables, campos magnéticos o control externo a través de aparatos tipo joystick. El impacto potencial en medicina resulta notable, al abrir la posibilidad de monitorear la salud de células individuales y brindar asistencia en la construcción de dispositivos microescala dentro de procesos industriales.

Las claves de la investigación

La investigación, liderada por Marc Miskin, profesor adjunto del Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas en el centro Penn Engineering, enfrentó como reto inicial la consecución de la locomoción y la autonomía a escalas nunca antes alcanzadas.

Miskin señala: “Hemos logrado que los robots autónomos sean diez mil veces más pequeños”, una afirmación registrada en el material de las universidades, que subraya la magnitud de este avance. La histórica dificultad en el campo residía en adaptar la movilidad y el control de estos dispositivos en dimensiones inferiores a un milímetro: durante más de cuatro décadas, el desarrollo de robots que pudieran operar de manera independiente a este nivel había permanecido esencialmente estancado.

El equipo investigador identificó que la física dominante a microescala difiere radicalmente de la que rige el mundo humano. Mientras que fuerzas como la gravedad y la inercia son relevantes para objetos grandes, en dimensiones celulares, adquieren preeminencia factores ligados a la resistencia y la viscosidad propias del entorno acuoso.

En este contexto, Miskin explica que, a tan pequeña escala, “empujar el agua es como empujar a través del alquitrán”, lo que descarta tácticas convencionales de locomoción mecánica empleadas en robots macroscópicos, como extremidades articuladas. Las patas y brazos diminutos resultan frágiles y difíciles de fabricar, lo que llevó al equipo a concebir un sistema de propulsión completamente nuevo para colaborar con las propiedades físicas de la microescala en vez de oponerse a ellas.

A diferencia de organismos acuáticos mayores, como los peces, que se valen de la Tercera Ley de Newton para desplazarse al impulsar agua hacia atrás, los robots desarrollados por la colaboración entre Penn Engineering y Michigan prescinden de movimientos corporales. Generan un campo eléctrico local capaz de movilizar iones en la solución circundante, lo que a su vez lleva a los iones a empujar moléculas de agua adyacentes. Así, los propios robots generan el flujo en el que “nadan”. Según detalla Miskin, esto equivale a que “el robot estuviera en un río en movimiento, pero el robot también es el que hace que el río se mueva”.

El control sobre el campo eléctrico permite a los robots desplazarse siguiendo patrones complejos y sincronizados, similar a bancos de peces, alcanzando velocidades de hasta la longitud de su cuerpo por segundo.

Su diseño sin partes móviles contribuye a una durabilidad inusitada: “Se pueden transferir repetidamente estos robots de una muestra a otra usando una micropipeta sin dañarlos”, destaca Miskin. La fuente de energía, proporcionada por iluminaciones con LED, posibilita que los robots continúen funcionando y flotando activamente durante meses, lo que marca una diferencia decisiva respecto a implementaciones anteriores.

En la integración de capacidades computacionales y sensoriales, el laboratorio de David Blaauw desempeñó un papel esencial. Director de un equipo en la Universidad de Michigan reconocido por su récord en el desarrollo de computadoras de tamaño ultra reducido, Blaauw coincidió con Miskin en un evento auspiciado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA). De inmediato identificaron la sinergia entre el sistema de propulsión ideado en Pensilvania y las microcomputadoras electrónicas de Michigan.

Blaauw indica que, a pesar de la compatibilidad tecnológica, alcanzar un robot funcional exigió cinco años de esfuerzo conjunto. Los robots integran una computadora completa, con procesador y memoria, dentro de un espacio diminuto, lo que les otorga verdadera autonomía.

El conjunto de paneles solares miniaturizados que alimenta sus sistemas electrónicos produce apenas setenta y cinco nanovatios de energía, equivalentes a más de cien mil veces menos que el consumo de un reloj inteligente. Ante este límite, el equipo de Michigan concibió circuitos extremadamente eficientes y redujo el consumo energético de los microprocesadores más de mil veces respecto a soluciones convencionales.

El escaso espacio de almacenamiento supuso otro obstáculo relevante: la mayoría del volumen robótico es ocupado por los paneles solares. Esto obligó a Blaauw y su grupo a compactar y repensar las instrucciones del software de control, condensando múltiples órdenes en una sola instrucción especial que da cabida a los programas en el reducido espacio de memoria del robot.

La integración de sensores electrónicos permite a los robots medir temperaturas locales con una precisión de un tercio de grado Celsius, lo que les autoriza a navegar hacia regiones más cálidas o reportar la temperatura: indicador crítico de la actividad celular.

Para transmitir sus mediciones, el equipo ideó un singular método de comunicación: “Diseñamos una instrucción informática especial que codifica un valor, como la temperatura medida, en los movimientos de un pequeño baile que realiza el robot. Luego, observamos este baile a través de un microscopio con una cámara y, a partir de los movimientos, decodificamos lo que nos dicen los robots. Es muy similar a cómo se comunican las abejas”, puntualiza Blaauw, en el material difundido por la Universidad de Michigan.

La versatilidad de programación es otra de las innovaciones centrales. Los robots se programan y reciben energía a través de pulsos de luz. Cada unidad dispone de una identidad única que habilita la carga de distintos programas, lo que posibilita la asignación de funciones diversas a miles de robots en labores colectivas. Esta característica los convierte en herramientas reconfigurables que podrían integrarse en operaciones multifuncionales, con potencial para avanzar hacia versiones más complejas y dotadas de capacidades adicionales.

El diseño actual, según informan los equipos de Penn Engineering y Michigan, constituye una plataforma general con capacidad para crecer y diversificarse: el sistema de propulsión y la electrónica pueden fabricarse a gran escala y bajo costo, y el diseño modular favorece la integración de futuras funciones. Se abren así horizontes en la integración de nuevas modalidades de sensores, almacenamiento de programas más sofisticados y operación en entornos complejos o desafiantes.

Miskin resume el alcance de la innovación: “Este es solo el primer capítulo. Hemos demostrado que se puede incorporar un cerebro, un sensor y un motor a algo casi demasiado pequeño para verlo, y lograr que sobreviva y funcione durante meses. Una vez que se tiene esa base, se pueden incorporar todo tipo de inteligencia y funcionalidad. Esto abre la puerta a un futuro completamente nuevo para la robótica a microescala”.