Los biorobots incorporan músculos con un rango de movimiento 11 veces mayor

Investigadores crearon un actuador biohíbrido, en el que músculo esquelético vivo y un armazón blando de hidrogel se diseñan como un único sistema mecánico. Este enfoque aumentó el rango de movimiento hasta 11 veces en comparación con diseños anteriores de volumen de músculo comparable, y los robots construidos con base en el actuador pudieron saltar, nadar, caminar y agarrar objetos pequeños.

La principal diferencia de la nueva construcción no está en intentar hacer el tejido muscular más fuerte. Los autores se concentraron en cómo la forma, el grosor y la rigidez de la capa viva se combinan con el armazón sobre el que crece el músculo. Incluso un tejido bastante fuerte ayuda poco al robot si parte de la contracción se pierde en la unión con la estructura artificial o el armazón se dobla en la dirección equivocada.

Primero los investigadores construyeron un modelo por ordenador del músculo y el armazón como un único cuerpo blando. Un algoritmo evolutivo probó variantes de geometría y seleccionó las estructuras con mayor deformación, tras lo cual los autores ajustaron adicionalmente la relación de rigidez y los tamaños de las dos capas. Los cálculos mostraron que la máxima flexión ocurre cuando el músculo activo ocupa aproximadamente el 40–50% del espesor total del actuador.

Para un armazón de 15 × 3,5 × 1 mm, el espesor óptimo de la capa muscular fue de alrededor de 0,5 mm. En las muestras finales el espesor del tejido vivo estaba aproximadamente en el rango de 0,3–0,5 mm. El armazón se fabricó con un hidrogel blando y se cubrió con ranuras microscópicas que dirigían el crecimiento de las fibras musculares y ayudaban a transmitir la contracción a lo largo del eje deseado.

La capa viva se cultivó a partir de células de músculo esquelético C2C12 directamente sobre la base de hidrogel. Los autores prestaron especial atención al límite entre los materiales: el músculo debía permanecer firmemente unido al armazón tras contracciones repetidas. Para aumentar el área de contacto se formó la superficie con un microrrelieve entrelazado, y la unión química de las dos capas de hidrogel creó una conexión continua.

Tras la maduración, las fibras musculares se alinearon a lo largo de las microcanaladuras y se contrajeron con estimulación eléctrica. A frecuencias de uno a tres hercios, el actuador se doblaba cíclicamente con una amplitud de hasta 6,6 mm. Los autores señalan que las construcciones previas con volumen de músculo comparable normalmente proporcionaban desplazamientos del orden de unos pocos cientos de micrómetros.

El mismo esquema pudo adaptarse a varios tipos de movimiento. El actuador muscular hizo que una pequeña estructura saltara, movió a un robot nadador hacia la interfaz agua-aire, permitió pasos sobre una superficie y accionó un agarre. Armazones con microcanaladuras orientadas en distintas direcciones permitieron obtener contracciones en varios ejes, y varios actuadores se pueden combinar en sistemas más complejos.

Por ahora se trata de demostradores de laboratorio, no de máquinas autónomas. Las contracciones se activan mediante un campo eléctrico externo, el tejido vivo requiere condiciones adecuadas y nutrición, y aumentar el tamaño de las construcciones biohíbridas sigue complicando el suministro de oxígeno y nutrientes a las células. El nuevo trabajo ante todo resuelve otra cuestión: muestra cómo obtener mucho más movimiento útil del volumen de tejido muscular ya disponible.

En la robótica biohíbrida también se emplean otros métodos para aumentar la entrega mecánica. En algunos experimentos, entre el músculo vivo y el armazón se añadieron tendones artificiales para transmitir la fuerza de manera más eficaz; en otros, los investigadores reforzaron los músculos incluso durante la etapa de cultivo. El nuevo enfoque traslada parte del trabajo a la fase de diseño: el algoritmo selecciona simultáneamente músculo y armazón, y luego la construcción calculada se reproduce con tejido vivo e hidrogel.