Una fotografía de un prototipo de eBiobot, iluminado con microLED azules. Los robots biológicos en miniatura controlados a distancia tienen muchas aplicaciones potenciales en medicina, detección y monitoreo ambiental. Imagen cortesía de Yongdeok Kim
Por Liz Ahlberg Piedra de toque
Primero, caminaron. Entonces, vieron la luz. Ahora, los robots biológicos en miniatura han ganado un nuevo truco: el management remoto.
Los “eBiobots” híbridos son los primeros en combinar materiales blandos, músculo vivo y microelectrónica, dijeron investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, la Universidad Northwestern e instituciones colaboradoras. Describieron sus máquinas biológicas a escala centimétrica en la revista Science Robotics.
“La integración de la microelectrónica permite la fusión del mundo biológico y el mundo de la electrónica, ambos con muchas ventajas propias, para producir ahora estos biobots electrónicos y máquinas que podrían ser útiles para muchas aplicaciones médicas, de detección y ambientales en el futuro”, dijo el estudio. co-líder Rashid Bashirun profesor de Illinois de bioingeniería y decano de la Facultad de ingeniería de Grainger.
Rashid Bashir. Foto de L. Brian Stauffer
El grupo de Bashir ha sido pionero en el desarrollo de biobots, pequeños robots biológicos alimentados por tejido muscular de ratón que crece en un esqueleto de polímero suave impreso en 3D. Demostraron biobots andantes en 2012 y biobots activados por luz en 2016. La activación de la luz les dio a los investigadores cierto management, pero las aplicaciones prácticas estaban limitadas por la cuestión de cómo entregar los pulsos de luz a los biobots fuera de un entorno de laboratorio.
La respuesta a esa pregunta vino del profesor de la Universidad Northwestern Juan A. Rogers, un pionero en bioelectrónica versatile, cuyo equipo ayudó a integrar diminutos microelectrónicos inalámbricos y micro-LED sin batería. Esto permitió a los investigadores controlar de forma remota los eBiobots.
“Esta combinación inusual de tecnología y biología abre grandes oportunidades en la creación de sistemas de ingeniería de autorreparación, aprendizaje, evolución, comunicación y autoorganización. Creemos que es un terreno muy fértil para futuras investigaciones con aplicaciones potenciales específicas en biomedicina y monitoreo ambiental”, dijo Rogers, profesor de ciencia e ingeniería de materiales, ingeniería biomédica y cirugía neurológica en la Universidad Northwestern y director del Instituto Querrey Simpson de Bioelectrónica. .
La dirección por management remoto permite a los eBiobots maniobrar alrededor de obstáculos, como se muestra en esta imagen compuesta de un robotic bípedo que atraviesa un laberinto. Imagen cortesía de Yongdeok Kim
Para dar a los biobots la libertad de movimiento necesaria para las aplicaciones prácticas, los investigadores se propusieron eliminar las baterías voluminosas y los cables de conexión. Los eBiobots usan una bobina receptora para recolectar energía y proporcionar un voltaje de salida regulado para alimentar los micro-LED, dijo el coautor Zhengwei Li, profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad de Houston.
Los investigadores pueden enviar una señal inalámbrica a los eBiobots que hace que los LED parpadeen. Los LED estimulan el músculo diseñado smart a la luz para que se contraiga, moviendo las patas de polímero para que las máquinas “caminan”. Los micro-LED están tan enfocados que pueden activar partes específicas del músculo, haciendo que el eBiobot gire en la dirección deseada. ver un video sobre YouTube.
Los investigadores utilizaron modelos informáticos para optimizar el diseño de eBiobot y la integración de componentes para lograr robustez, velocidad y maniobrabilidad. profesor de ciencias mecánicas e ingeniería de Illinois Mattia Gazzola lideró la simulación y el diseño de los eBiobots. El diseño iterativo y la impresión 3D aditiva de los andamios permitieron ciclos rápidos de experimentos y mejoras en el rendimiento, dijeron Gazzola y el coautor Xiaotian Zhang, investigador postdoctoral en el laboratorio de Gazzola.
Los eBiobots son las primeras máquinas biohíbridas inalámbricas que combinan tejido biológico, microelectrónica y polímeros blandos impresos en 3D. Imagen cortesía de Yongdeok Kim
El diseño permite la posible integración futura de microelectrónica adicional, como sensores químicos y biológicos, o piezas de andamiaje impresas en 3D para funciones como empujar o transportar cosas que encuentran los biobots, dijo el coautor Youngdeok Kim, quien completó el trabajo como un estudiante de posgrado en Illinois.
La integración de sensores electrónicos o neuronas biológicas permitiría a los eBiobots detectar y responder a las toxinas en el medio ambiente, biomarcadores de enfermedades y más posibilidades, dijeron los investigadores.
Li dicho.
La Fundación Nacional de Ciencias y los Institutos Nacionales de Salud apoyaron este trabajo.
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