Ingenieros del MIT desarrollan tendones artificiales que mejoran la potencia de robots biohíbridos, aumentando su velocidad y fuerza al conectar tejido muscular con estructuras sintéticas.
Los músculos son los actuadores de la naturaleza, generando las fuerzas que permiten el movimiento en nuestros cuerpos. En los últimos años, ingenieros han utilizado tejido muscular real para activar lo que se conoce como “robots biohíbridos”, compuestos tanto de tejido vivo como de partes sintéticas. Al combinar músculos cultivados en laboratorio con esqueletos sintéticos, los investigadores están creando una variedad de robots impulsados por músculo, incluyendo caminantes, nadadores y manipuladores.
No obstante, estos diseños han estado limitados en cuanto a la cantidad de movimiento y potencia que pueden generar. Ahora, un equipo de ingenieros del MIT busca potenciar estos bio-bots mediante el uso de tendones artificiales.
En un estudio publicado recientemente en la revista Advanced Science, los investigadores desarrollaron tendones artificiales elaborados con un hidrogel resistente y flexible. Estos tendones, similares a bandas elásticas, fueron conectados a ambos extremos de un pequeño trozo de músculo cultivado en laboratorio, formando así una “unidad músculo-tendón”. Posteriormente, los extremos de cada tendón artificial se unieron a los dedos de un gripper robótico.
Al estimular el músculo central para que se contrajera, los tendones lograron unir los dedos del gripper. El resultado fue sorprendente: el robot pudo cerrar sus dedos tres veces más rápido y con una fuerza 30 veces mayor en comparación con el mismo diseño sin los tendones conectores.
Los investigadores prevén que esta nueva unidad músculo-tendón pueda integrarse en una amplia gama de diseños de robots biohíbridos, funcionando como un elemento universal en ingeniería.
La doctora Ritu Raman, autora principal del estudio y profesora asistente de ingeniería mecánica en el MIT, afirma: “Estamos introduciendo tendones artificiales como conectores intercambiables entre actuadores musculares y esqueletos robóticos. Esta modularidad podría facilitar el diseño de diversas aplicaciones robóticas, desde herramientas quirúrgicas microscale hasta máquinas exploratorias autónomas adaptativas.”
Raman y su equipo están liderando la investigación en robótica biohíbrida, un campo relativamente nuevo que ha surgido en la última década. Su enfoque combina partes estructurales sintéticas con tejido muscular vivo como actuadores naturales.
“La mayoría de los actuadores con los que trabajan los ingenieros son difíciles de miniaturizar”, explica Raman. “Más allá de cierto tamaño, la física básica no funciona. Lo interesante del músculo es que cada célula actúa como un actuador independiente capaz de generar fuerza y movimiento. Por lo tanto, podrías crear robots realmente pequeños.”
Los actuadores musculares ofrecen otras ventajas significativas; pueden volverse más fuertes a medida que se ejercitan y tienen la capacidad natural de sanar cuando sufren lesiones. Por estas razones, Raman y otros investigadores imaginan que estos robots musculosos podrían ser enviados a explorar entornos remotos o peligrosos para los humanos. Además, podrían fortalecerse ante travesías imprevistas o curarse cuando no haya ayuda disponible.
A pesar del potencial prometedor, las primeras versiones requerían mucho tejido muscular para conectar el músculo al esqueleto sintético, lo cual no siempre era seguro debido a la suavidad del músculo comparado con estructuras óseas rígidas. Esto podía causar desgarros o desprendimientos durante la contracción.
“Nos preguntamos cómo evitar desperdiciar material muscular y hacer que sea más modular para poder acoplarlo a cualquier estructura”, señala Raman. “La solución biológica consiste en tener tendones cuya rigidez esté entre el músculo y el hueso; esto permite superar la discrepancia mecánica entre ambos.”
En su reciente trabajo, Raman y su equipo diseñaron tendones artificiales para conectar tejido muscular natural con un esqueleto gripper sintético utilizando hidrogel —un gel polimérico resistente pero flexible— desarrollado por su colega Xuanhe Zhao. Este grupo ha creado recetas para hidrogeles con diferentes niveles de dureza y elasticidad que pueden adherirse a diversas superficies.
Para determinar las propiedades adecuadas que debían tener estos nuevos tendones artificiales, modelaron el sistema como tres tipos diferentes de resortes representando el músculo central, los dos tendones conectores y el esqueleto del gripper. A partir del modelo resultante, derivaron una receta específica para fabricar hidrogel con la rigidez necesaria.
Una vez creado el gel adecuado, etchearon cuidadosamente cables finos para formar los tendones artificiales. Estos fueron fijados a cada extremo del tejido muscular cultivado en laboratorio antes mencionado. Cuando estimularon al músculo para contraerse, los tendones tiraron del gripper logrando cerrar sus dedos juntos. Los experimentos demostraron que este diseño basado en tendones operó tres veces más rápido y generó 30 veces más fuerza comparado con un sistema solo basado en tejido muscular sin ningún tipo de conexión adicional.
Este avance incrementó notablemente la relación potencia-peso del robot en 11 veces; es decir, se requería menos masa muscular para realizar la misma cantidad de trabajo.
"Solo necesitas un pequeño trozo del actuador inteligentemente conectado al esqueleto", concluye Raman. "Normalmente, si un músculo blando está unido a algo muy rígido, simplemente se desgarrará antes de mover nada." La combinación exitosa entre biología y robótica marca un hito significativo hacia sistemas biohíbridos capaces de operar fuera del entorno controlado del laboratorio.