En un artículo publicado recientemente en la revista Comunicaciones de la naturalezaLos investigadores han presentado una estrategia de diseño innovadora para robots blandos que imitan la integración del músculo esquelético y la piel sensorial en organismos vivos. Mostraron ejemplos de implantes robóticos capaces de detectar y responder a diferentes estímulos según demanda dentro del cuerpo.
fondo
La robótica blanda es un campo de la ingeniería centrado en el desarrollo de robots flexibles, adaptables y biocompatibles, inspirados en sistemas naturales como animales y plantas. Estos robots son prometedores para muchas aplicaciones, incluida la tecnología médica, los dispositivos portátiles y la interacción entre humanos y robots. Sin embargo, un desafío importante en la robótica blanda es integrar de manera transparente y sólida las capacidades de detección y actuación, especialmente para dispositivos implantables que operan en entornos complejos y dinámicos.
Acerca de la búsqueda
En este artículo, los autores proponen una nueva estrategia de diseño para robots sensoriales inspirados en la piel que integran actuadores, sensores y estimuladores mediante biomimética. Los componentes centrales de estos robots blandos eran una capa de piel electrónica (e-skin) y una capa de músculo artificial hecha de hidrogel de polímero de poli (N-isopropilacrilamida) sensible a la temperatura (PNIPAM) para generar movimiento adaptativo.
La capa de piel electrónica consta de varios materiales sensores, como nanocables de plata, óxido de grafeno reducido, mixina y polímeros conductores, incrustados dentro de una matriz polimérica como la poliimida. Puede detectar diversos estímulos, como presión, temperatura, potencial de hidrógeno (pH) y señales eléctricas, y transmitirlos a la capa muscular artificial para operaciones bajo demanda, como flexión, estiramiento, torsión y administración de fármacos. La piel electrónica flexible multimodal se fabricó utilizando un enfoque basado en soluciones in situ, lo que permitió combinar una amplia gama de materiales funcionales en una matriz polimérica para formar diferentes tipos de sensores (por ejemplo, temperatura, presión, tensión). Con alta resolución espaciotemporal.
Se utilizan diseños biomiméticos inspirados en estrellas de mar y vainas en espiral para permitir diferentes movimientos de los tejidos. Además, en los robots blandos está integrado un módulo inalámbrico sin batería para permitir el funcionamiento y la comunicación sin restricciones con dispositivos externos.
El estudio mostró cuatro ejemplos de implantes robóticos que utilizan piel electrónica y capas de músculos artificiales: un manguito robótico para controlar la presión arterial, un robot ingerible para detectar el pH y administrar medicamentos, una pinza robótica para medir el volumen de la vejiga y un parche robótico para evaluar el corazón. funcionar y administrar terapia eléctrica. Además, el rendimiento y la biocompatibilidad de estos implantes robóticos se han probado in vitro e in vivo, utilizando modelos animales y sujetos humanos.
Resultados de la investigacion
Los resultados mostraron que el robot recién diseñado logró una alta sensibilidad, precisión y estabilidad al detectar diferentes estímulos y responder mediante operaciones bajo demanda. Esta actuación fue provocada por la estimulación termoeléctrica de los calentadores eléctricos incrustados en la capa de piel electrónica. Los investigadores también exploraron el comportamiento de bioadhesión de sus dispositivos en tejidos y órganos diana, y observaron que la adhesión inherente del hidrogel estaba altamente relacionada con el contenido de agua y la temperatura.
Además, el manguito robótico midió eficazmente la presión arterial de los ratones y activó el sistema de administración de fármacos cuando la presión excedía un umbral. La pinza robótica rastreó el volumen de la vejiga del cerdo y la liberó cuando estaba llena. El robot ingerible detectó el pH del estómago del cerdo y administró medicamentos antiácidos cuando el pH era bajo. Además, el parche robótico midió la función del corazón humano y proporcionó terapia eléctrica cuando la frecuencia cardíaca era anormal.
Finalmente, el estudio confirmó que los robots presentados son biocompatibles e inalámbricos, y no provocan efectos negativos ni infecciones en los tejidos. Afirmó que la estrategia de diseño era universal y escalable, aplicable a una amplia gama de materiales sensibles y sensibles, dando forma a robots blandos integrados para la tecnología biomédica y más.
Aplicaciones
El robot sensorial de nuevo diseño tiene un gran potencial en el campo de la tecnología médica. Estos implantes robóticos brindan soluciones de atención médica precisas y adaptadas para satisfacer las necesidades individuales de los pacientes. Por ejemplo, puede regular dinámicamente los niveles de presión arterial, garantizando una salud cardiovascular óptima. Además, la capacidad de los mangos robóticos para rastrear el volumen de la vejiga y liberar su contenido según sea necesario representa un enfoque innovador para controlar los problemas del tracto urinario, mejorando la comodidad y la calidad de vida del paciente.
Además, la capacidad del robot ingerible para detectar los niveles de pH gástrico y administrar medicamentos específicos representa un avance importante en el manejo de la salud gastrointestinal. Proporcionar medicamentos antiácidos cuando sean necesarios específicamente puede ayudar a prevenir las úlceras de estómago y aliviar las molestias asociadas.
Además, la capacidad del parche robótico para evaluar la función cardíaca y realizar intervenciones de electroterapia proporciona un enfoque proactivo para el tratamiento de enfermedades cardiovasculares, que puede reducir el riesgo de eventos cardíacos adversos. Más allá de la tecnología médica, estos robots blandos podrían utilizarse en otros campos, como la monitorización ambiental, donde su capacidad para adaptarse y responder a diferentes estímulos podría resultar invaluable.
Conclusión
En resumen, el desarrollo de robots blandos sensoriales inspirados en la piel representa un avance importante en el campo de la robótica biomédica. Al imitar fielmente la gama de funciones motoras y sensores que se encuentran en los sistemas biológicos, estos robots blandos han ofrecido una solución prometedora para interactuar de forma segura con entornos dinámicos y no estructurados e interactuar con tejidos y órganos biológicos.
De cara al futuro, los investigadores sugieren direcciones para trabajos futuros. Recomendaron mejorar la biodegradabilidad, la bioestabilidad y la biointegración de los robots blandos, así como explorar nuevas aplicaciones y funciones. Además, destacaron la importancia de mejorar el rendimiento y la fiabilidad a largo plazo de estos robots en diversas condiciones fisiológicas.
Referencia de la revista
Zhang, L., Xing, S., Yin, H. et al. Robots sensoriales inspirados en la piel para implantación electrónica Nat común 154777 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48903-z, https://www.nature.com/articles/s41467-024-48903-z.
