Los bio-robots imitan la estructura muscular de los seres vivos. Imagen: Janet Sinn-Hanlon. Fuente: Design Group@VetMed-Universidad de Illinois.
Ingenieros de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (EE.UU.) han hecho una demostración de una especie de "bio-bots" andantes, impulsados por células musculares y controlados con pulsos eléctricos, que ofrecen a los investigadores un control sin precedentes sobre su funcionamiento. El grupo ha publicado su trabajo en línea en Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).
"La activación biológica impulsada por células es un requisito fundamental para cualquier tipo de máquina biológica que queramos construir", explica el líder del estudio, Rashid Bashir, profesor y jefe de bioingeniería de la Universidad de Illinois, en la nota de prensa de la misma.
"Estamos tratando de integrar estos principios de la ingeniería con la biología de manera que se puedan utilizar para diseñar y desarrollar máquinas biológicas y sistemas para aplicaciones ambientales y médicas. La biología es tremendamente poderosa, y si de alguna manera podemos aprender a aprovechar sus ventajas para aplicaciones útiles, se podrían llevar a cabo un montón de grandes cosas".
El grupo de Bashir ha sido pionero en el diseño y construcción de bio-robots, de menos de un centímetro de tamaño, hechos de hidrogeles impresos en 3-D y células vivas. Anteriormente, el grupo mostró que los bio-robots pueden "caminar" por su cuenta, impulsados por el ritmo de células de corazones de ratas.
Sin embargo, las células del corazón se contraen constantemente, impidiendo que los investigadores controlen el movimiento del robot. Esto hace que las células del corazón sean difíciles de utilizar para diseñar un bio-robot que se pueda encender y apagar, acelerarse o ralentizarse.
Los nuevos bio-robots están alimentados por una serie de células del músculo esquelético que se pueden activar mediante un impulso eléctrico. Esto ofrece a los investigadores una forma sencilla de controlar los bio-robots y abre nuevas posibilidades para que los ingenieros puedan personalizarlos para aplicaciones específicas.
"Las células de los músculos esqueléticos son muy atractivas porque se les puede marcar el ritmo usando señales externas", explica Bashir. "Por ejemplo, se podría utilizar el músculo esquelético en el diseño de un dispositivo que se pretende que se ponga en funcionamiento cuando detecte una sustancia química o cuando reciba una determinada señal. Para nosotros, es parte de una caja de herramientas de diseño. Queremos tener opciones diferentes que pudieran ser utilizados por los ingenieros para diseñar estas cosas".
El diseño
El diseño está inspirado en el complejo músculo-tendón-hueso de la naturaleza. Hay una columna vertebral de hidrogel impreso en 3D, lo suficientemente fuerte como para dar estructura al bio-bot, pero lo suficientemente flexible para doblarse como una articulación. También contiene estructuras que imitan a los tendones, que unen el músculo al hueso, y que además actúan como pies.
La velocidad de un robot puede controlarse mediante el ajuste de la frecuencia de los pulsos eléctricos. Una frecuencia más alta hace que el músculo se contraiga más rápidamente, lo que permite acelerar el avance del bio-robot.
"Es natural que utilizáramos un principio de diseño biomimético, en concreto la organización del sistema musculoesquelético, como punto de partida", explica la estudiante de posgrado Caroline Cvetkovic, co-autora principal del trabajo.
"Este trabajo representa un primer paso importante en el desarrollo y control de máquinas biológicas que puedan ser estimuladas, entrenadas, o programadas para hacer un trabajo. Es emocionante pensar que este sistema podría llegar a convertirse en una generación de máquinas biológicas que podrían ayudar en la administración de fármacos, la robótica quirúrgica, los implantes "inteligentes", o como analizadores ambientales móviles, entre un sinnúmero de otras aplicaciones".
"La activación biológica impulsada por células es un requisito fundamental para cualquier tipo de máquina biológica que queramos construir", explica el líder del estudio, Rashid Bashir, profesor y jefe de bioingeniería de la Universidad de Illinois, en la nota de prensa de la misma.
"Estamos tratando de integrar estos principios de la ingeniería con la biología de manera que se puedan utilizar para diseñar y desarrollar máquinas biológicas y sistemas para aplicaciones ambientales y médicas. La biología es tremendamente poderosa, y si de alguna manera podemos aprender a aprovechar sus ventajas para aplicaciones útiles, se podrían llevar a cabo un montón de grandes cosas".
El grupo de Bashir ha sido pionero en el diseño y construcción de bio-robots, de menos de un centímetro de tamaño, hechos de hidrogeles impresos en 3-D y células vivas. Anteriormente, el grupo mostró que los bio-robots pueden "caminar" por su cuenta, impulsados por el ritmo de células de corazones de ratas.
Sin embargo, las células del corazón se contraen constantemente, impidiendo que los investigadores controlen el movimiento del robot. Esto hace que las células del corazón sean difíciles de utilizar para diseñar un bio-robot que se pueda encender y apagar, acelerarse o ralentizarse.
Los nuevos bio-robots están alimentados por una serie de células del músculo esquelético que se pueden activar mediante un impulso eléctrico. Esto ofrece a los investigadores una forma sencilla de controlar los bio-robots y abre nuevas posibilidades para que los ingenieros puedan personalizarlos para aplicaciones específicas.
"Las células de los músculos esqueléticos son muy atractivas porque se les puede marcar el ritmo usando señales externas", explica Bashir. "Por ejemplo, se podría utilizar el músculo esquelético en el diseño de un dispositivo que se pretende que se ponga en funcionamiento cuando detecte una sustancia química o cuando reciba una determinada señal. Para nosotros, es parte de una caja de herramientas de diseño. Queremos tener opciones diferentes que pudieran ser utilizados por los ingenieros para diseñar estas cosas".
El diseño
El diseño está inspirado en el complejo músculo-tendón-hueso de la naturaleza. Hay una columna vertebral de hidrogel impreso en 3D, lo suficientemente fuerte como para dar estructura al bio-bot, pero lo suficientemente flexible para doblarse como una articulación. También contiene estructuras que imitan a los tendones, que unen el músculo al hueso, y que además actúan como pies.
La velocidad de un robot puede controlarse mediante el ajuste de la frecuencia de los pulsos eléctricos. Una frecuencia más alta hace que el músculo se contraiga más rápidamente, lo que permite acelerar el avance del bio-robot.
"Es natural que utilizáramos un principio de diseño biomimético, en concreto la organización del sistema musculoesquelético, como punto de partida", explica la estudiante de posgrado Caroline Cvetkovic, co-autora principal del trabajo.
"Este trabajo representa un primer paso importante en el desarrollo y control de máquinas biológicas que puedan ser estimuladas, entrenadas, o programadas para hacer un trabajo. Es emocionante pensar que este sistema podría llegar a convertirse en una generación de máquinas biológicas que podrían ayudar en la administración de fármacos, la robótica quirúrgica, los implantes "inteligentes", o como analizadores ambientales móviles, entre un sinnúmero de otras aplicaciones".
Mayor control
Ahora, los investigadores trabajarán para obtener un mayor control sobre el movimiento de los bio-bots, por ejemplo integrando neuronas de modo que los bio-robots puedan ser dirigidos en diferentes direcciones mediante luz o gradientes químicos.
Por el lado de la ingeniería, se espera diseñar una columna vertebral de hidrogel que permita al bio-robot moverse en diferentes direcciones según diferentes señales.
Gracias a la impresión en 3-D, los ingenieros pueden explorar diferentes formas y diseños rápidamente. Bashir y sus colegas planean incluso integrar una unidad en el programa de laboratorio de los grados para que los estudiantes puedan diseñar diferentes tipos de bio-robots.
"El objetivo de "construir con biología" no es nuevo: Los investigadores de ingeniería de tejidos han trabajado durante muchos años en ello", recuerda la estudiante de posgrado Ritu Raman, co-autora principal del artículo. "Pero, ¿por qué detenerse ahí? Podemos ir más allá mediante el uso de las capacidades dinámicas de las células para auto-organizarse y responder a las señales ambientales, para crear nuevas máquinas y sistemas biológicos no naturales".
"La idea de hacer avanzar la ingeniería con estas estructuras basadas en células es muy emocionante", reconoce Bashir. "Nuestra meta es que estos dispositivos puedan ser utilizados como sensores autónomos. Queremos que detecten un producto químico específico y avancen hacia él; y luego suelten agentes neutralizantes de la toxina, por ejemplo.".
Ahora, los investigadores trabajarán para obtener un mayor control sobre el movimiento de los bio-bots, por ejemplo integrando neuronas de modo que los bio-robots puedan ser dirigidos en diferentes direcciones mediante luz o gradientes químicos.
Por el lado de la ingeniería, se espera diseñar una columna vertebral de hidrogel que permita al bio-robot moverse en diferentes direcciones según diferentes señales.
Gracias a la impresión en 3-D, los ingenieros pueden explorar diferentes formas y diseños rápidamente. Bashir y sus colegas planean incluso integrar una unidad en el programa de laboratorio de los grados para que los estudiantes puedan diseñar diferentes tipos de bio-robots.
"El objetivo de "construir con biología" no es nuevo: Los investigadores de ingeniería de tejidos han trabajado durante muchos años en ello", recuerda la estudiante de posgrado Ritu Raman, co-autora principal del artículo. "Pero, ¿por qué detenerse ahí? Podemos ir más allá mediante el uso de las capacidades dinámicas de las células para auto-organizarse y responder a las señales ambientales, para crear nuevas máquinas y sistemas biológicos no naturales".
"La idea de hacer avanzar la ingeniería con estas estructuras basadas en células es muy emocionante", reconoce Bashir. "Nuestra meta es que estos dispositivos puedan ser utilizados como sensores autónomos. Queremos que detecten un producto químico específico y avancen hacia él; y luego suelten agentes neutralizantes de la toxina, por ejemplo.".
Referencia bibliográfica:
C. Cvetkovic, R. Raman, V. Chan, B. J. Williams, M. Tolish, P. Bajaj, M. S. Sakar, H. H. Asada, M. T. A. Saif, R. Bashir. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle. Proceedings of the National Academy of Sciences (2014). DOI: 10.1073/pnas.1401577111.
C. Cvetkovic, R. Raman, V. Chan, B. J. Williams, M. Tolish, P. Bajaj, M. S. Sakar, H. H. Asada, M. T. A. Saif, R. Bashir. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle. Proceedings of the National Academy of Sciences (2014). DOI: 10.1073/pnas.1401577111.