Microbótica

Minirobots de jazmín cada uno más pequeño que 3 cm (1 pulg) en ancho

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 manejar componentes de tamaño micrométrico.

Historia

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 a los sensores. La primera investigación y diseño conceptual de estos pequeños robots se llevó a cabo a principios de la década de 1970 en (entonces) investigaciones clasificadas para las agencias de inteligencia de EE. UU. Las aplicaciones previstas en ese momento incluían asistencia de rescate de prisioneros de guerra y misiones de intercepción 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 logró de inmediato a partir de este conjunto inicial de cálculos y diseño conceptual. A partir de 2008, los microrobots más pequeños utilizan un actuador de disco duro.

El desarrollo de las conexiones inalámbricas, especialmente Wi-Fi (es decir, en las redes domésticas) ha aumentado considerablemente la capacidad de comunicación de los microbots y, en consecuencia, su capacidad para coordinarse con otros microbots para llevar a cabo tareas más complejas. De hecho, gran parte de la investigación reciente se ha centrado en la comunicación de microbots, incluido un enjambre de 1024 robots en la Universidad de Harvard que se ensambla a sí mismo en varias formas; y fabricación de microbots en SRI International para 'MicroFactory for Macro Products' de DARPA. programa que puede construir estructuras ligeras y de alta resistencia.

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

Definiciones

Mientras que el "micro" El prefijo se ha utilizado subjetivamente para significar "pequeño", la estandarización en escalas de longitud evita confusiones. Por lo tanto, un nanorobot tendría dimensiones características de 1 micrómetro o menos, o manipularía componentes en el rango de tamaño de 1 a 1000 nm. Un microrobot tendría unas dimensiones características inferiores a 1 milímetro, un milirobot tendría unas dimensiones inferiores a un cm, un minirobot tendría unas dimensiones inferiores a 10 cm (4 in) y un robot pequeño tendría unas dimensiones inferiores a 100 cm (39 en).

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 los microrobots se mueven depende de su propósito y tamaño necesario. En tamaños submicrónicos, el mundo físico exige formas bastante extrañas de moverse. El número de Reynolds para robots aerotransportados es menor que la unidad; las fuerzas viscosas dominan las fuerzas de inercia, por lo que "volar" podría usar 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 que el robot negocie las superficies de una variedad de terrenos. Cálculos pioneros (Solem 1994) examinaron posibles comportamientos basados en realidades físicas.

Uno de los principales desafíos en el desarrollo de un microrobot es lograr el movimiento utilizando una fuente de alimentación muy limitada. Los microrobots pueden usar una fuente de batería pequeña y liviana como una celda de moneda o pueden buscar energía del entorno circundante en forma de vibración o energía luminosa. Los microrobots ahora también están utilizando 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 a los robots con energía inducida externamente. Los ejemplos incluyen el uso de campos electromagnéticos, ultrasonido y luz para activar y controlar micro robots.

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

Tipos y aplicaciones

Debido a su pequeño tamaño, los microbots 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 microbots sean útiles en aplicaciones como buscar sobrevivientes en edificios derrumbados después de un terremoto o arrastrarse por el tracto digestivo. Lo que les falta a los microbots en fuerza o poder computacional, lo pueden compensar usando grandes cantidades, como enjambres de microbots.

Las aplicaciones potenciales con prototipos demostrados incluyen:

Microrobots médicos

Biohybrid microswimmers bacterianos

Biohybrid diatomite microswimmer drug delivery system

Superficie de frustulo diatom funcionalizada con moléculas fotoactivables (esferas extrañas) vinculadas a la vitamina B-12 (esfera roja) actuando como una etiqueta tumoral. El sistema se puede cargar con fármacos quimioterapéuticos (esferas azules livianas), que se pueden entregar selectivamente a células cancerosas colorrectal. Además, las micropartículas diatomitas pueden ser fotoactivadas para generar monóxido de carbono o radicales libres induciendo apoptosis de células tumorales.

Biohybrid microswimmers, compuesto principalmente por actuadores biológicos integrados y transportistas de carga sintética, han demostrado recientemente su promesa hacia aplicaciones teranósticas mínimamente invasivas. Varios microorganismos, incluyendo bacterias, microalgas y espermatozoides, se han utilizado para fabricar diferentes microswimmers biohibridos con funcionalidades médicas avanzadas, como el control autónomo con estímulos ambientales para apuntar, navegar a través de brechas estrechas y acumulación a regiones necrotas de entornos tumorales. Estabilidad de los transportistas de carga sintéticos con campos externos aplicados de largo alcance, como campos acústicos o magnéticos, y comportamientos de taxis intrínsecos de los actuadores biológicos hacia diversos estímulos ambientales, como los químicos, el pH y el oxígeno, hacen que los microswimmers biohibrid sean un candidato prometedor para una amplia gama de aplicaciones médicas de carga activa.

Por ejemplo, existen microrobots basados en microalgas biocompatibles para la administración activa de fármacos en los pulmones y el tracto gastrointestinal, y microrobots bacterianos de ingeniería guiada magnéticamente para 'apuntar con precisión' para combatir el cáncer que han sido probados con ratones.