Imagina estar atrapado bajo escombros después de un desastre natural hasta que una cucaracha se arrastra desde debajo de una roca. Minutos después, los escombros son removidos y eres rescatado. Espera un minuto, ¿una cucaracha salvó tu vida? No exactamente. Aunque los investigadores en Japón han creado realmente cucarachas ciborgs para ayudar a encontrar supervivientes atrapados bajo escombros después de terremotos, eso no es de lo que estamos hablando. Estamos hablando de microbots - pequeños robots diseñados para replicar los movimientos de pequeñas criaturas como insectos para llegar a espacios que los humanos no pueden, para todo, desde búsqueda y rescate hasta inspección e incluso exploración espacial.
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Los microbots se utilizan más comúnmente en la industria biotecnológica para desarrollar terapéuticas diagnósticas y dirigidas para monitorear y tratar enfermedades. Pero también se han utilizado para monitoreo ambiental, remediación de suelos, investigación agrícola, inspección de motores de avión y búsqueda y rescate. No solo eso - están a punto de ser utilizados para muchas más cosas ya que esta tecnología ha avanzado rápidamente en los últimos años. En este informe, cubrimos cómo funcionan los pequeños robots y qué pueden hacer, y luego cubrimos las oportunidades más increíbles que están a punto de ser desbloqueadas con esta tecnología.
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Todos conocen esos grandes brazos de robot utilizados en las líneas de montaje de automóviles para fabricar coches. En contraste, existe el mito de que los pequeños robots son juguetes no industriales e inflexibles. Pero muchos fabricantes industriales utilizan pequeños robots para producir en masa y ensamblar unidades de control electrónico automotriz, teléfonos móviles, dispositivos médicos, placas de circuito impreso y jeringas.
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Los robots de sobremesa se utilizan para tejer, atender máquinas, alimentar piezas, realizar pruebas y tareas de inspección, y pueden dispensar adhesivos, pulir y apretar tornillos y soldar piezas en las líneas de montaje. Estos pequeños robots se clasifican generalmente por su alcance de 500 milímetros o menos con una capacidad de carga inferior a 3 kilogramos. Una unidad de sobremesa mide solo 12 pulgadas de altura, con una base del tamaño de la palma de tu mano y pesa menos de 5 kilogramos. Otro es del tamaño de una hoja de papel de 8.5 por 11.
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Luego, está MiGriBot - el Miniaturized Gripper Robot. MiGriBot es el microbot más rápido del mundo. Puede agarrar y mover un micro-objeto 720 veces por minuto con la precisión de un micrómetro. Eso es una millonésima de metro. Estos MiGriBots pronto se utilizarán para crear mini líneas de montaje para microfábricas. Montarán microelectrónica para smartphones, computadoras, o incluso nanotecnología como nanosensores para detectar químicos tóxicos o células cancerígenas. Y la capacidad de producir microtecnología en masa sin la necesidad de brazos gigantes podría reducir la electricidad a gran escala.
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Ahora, si pensabas que MiGriBot era pequeño... Conoce a Peaky - el robot caminante controlado a distancia más pequeño jamás creado. Con solo medio milímetro de ancho, Peaky es más pequeño que una pulga. Desarrollado a partir de un cangrejo peekytoe, puede doblarse, arrastrarse, girar y saltar. Se pretende que estos microbots reparen pequeñas estructuras o ensamblen máquinas diminutas. Pero aún no están cerca de la escala industrial. Alimentar robots de este tamaño puede ser un problema. En el caso de Peaky, no se requieren baterías. Utiliza una aleación con memoria de forma que se deforma y reforma cuando un rayo láser la golpea para crear movimiento.
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El mismo equipo creó robots de tamaño milimétrico inspirados en escarabajos, grillos y gusanos, así como un microchip alado. Este chip se convirtió en la estructura voladora humana más pequeña del mundo del tamaño de un grano de arena. Estos diminutos dispositivos, que llevan sensores y son alimentados por energía solar, replican los dientes de león soplados por el viento. Aunque pesan 30 veces más que un diente de león de 1 miligramo, aún pueden recorrer la longitud de un campo de fútbol con una brisa moderada, luego compartir datos hasta 60 metros de distancia. Sus sensores inalámbricos pueden monitorear cambios de temperatura y humedad en granjas o bosques o rastrear contaminación del aire como emisiones de gases de efecto invernadero o enfermedades transmitidas por el aire.
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Muchos creadores de microbots utilizan la biomímesis para diseñar microbots, clasificados por componentes con dimensiones menores a un milímetro y mayores a un micrómetro, después de los insectos, algunos de los organismos más pequeños de nuestro mundo. Este bugbot saltador está destinado a realizar evaluaciones estructurales o tomar muestras de agua donde solo los insectos pueden llegar. Otro bot imita la capacidad de los animales de usar colémbolos para enderezarse en pleno vuelo.
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Pequeños drones autónomos están destinados a pensar y moverse como abejas para polinizar flores. El RoboBee autónomo explorará entornos peligrosos, realizará búsqueda y rescate, y al igual que su inspiración natural, asistirá con la agricultura. Los científicos planean usar el RoboFly para encontrar fugas de gas o recolectar energía de frecuencias de radio.
Más allá de la agricultura, las posibles aplicaciones de los bots inspirados en insectos incluyen la fabricación, la vigilancia y la defensa. El helicoptero Black Hornet Nano pesa solo 16 gramos, mide cuatro pulgadas de largo y está construido para resistir tormentas. Actualmente tiene un precio de $200K, el ejército lo utiliza para tener conciencia situacional y encontrar posibles amenazas en el campo de batalla. La Marina de los EE. UU. tiene la plataforma robótica Gecko Robotics Phased Array que se arrastra en espacios 3D para inspeccionar daños en lugares a los que los marineros no pueden llegar. Ambos podrían ser reemplazados pronto por robots aún más pequeños.
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El año pasado, investigadores del MIT y Harvard crearon pequeños drones ágiles que maniobran como insectos reales. Los investigadores crearon músculos artificiales para estos robots aéreos para que puedan flotar durante 20 segundos y pesen menos de una cuarta parte de un centavo. Anteriormente, los investigadores crearon exploradores submarinos autónomos que trabajan juntos y se comunican en enjambres. Las pruebas recientes utilizaron vibraciones para influir en cómo se mueven colectivos de cientos y miles de microbots, operando como una mente de colmena literal.
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Para que todos estos robots operen de forma autónoma, necesitarán herramientas de visión por computadora para ver. LiDar, utilizado para alimentar algunos coches autónomos, se basa en sensores grandes y voluminosos. Esto también se ha vuelto más pequeño. El LiDar de escaneo más pequeño y ligero disponible se llama SF45 y se ha añadido a un pequeño rover drone. Pero esto necesitará ser reducido aún más para ser utilizado por microbots.
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Más pequeños que los microbots son los nanobots, con partes más pequeñas que un micrómetro en el rango de nanómetros. Los nanomateriales se desarrollaron para la entrega de medicamentos, la electrónica, las celdas de combustible y solares, y algún día podrían usarse para la exploración espacial - pero más sobre esto más adelante.
La nanotecnología se utiliza actualmente en la remediación del suelo, donde los nanomateriales se liberan directamente en el suelo. Los nanomateriales detectan y tratan los contaminantes del suelo y pueden estabilizar los residuos sólidos, así como controlar la erosión del suelo.Los avances recientes en nanotecnología han aumentado la efectividad de los materiales adsorbentes para proporcionar nuevos sistemas innovadores que mejoran la remediación ambiental. Los investigadores han demostrado cómo los diminutos "nano-nadadores" autopropulsados podrían liberar nanomateriales por sí mismos para mejorar la remediación o la filtración de agua. Y los investigadores ya han desarrollado nanosistemas y nanomateriales para eliminar contaminantes como los metales pesados o incluso los residuos radiactivos del agua. Los investigadores también han creado una prueba de concepto para usar microbots para descomponer microplásticos del agua potable o las aguas residuales.
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Los controles para hacer que esta nanotecnología funcione de forma autónoma serán el aspecto más difícil del desarrollo. Los investigadores recientemente crearon el robot caminante más pequeño del mundo. Con el ancho de un cabello humano, caminan de forma autónoma con un circuito a bordo y sin controles externos, un gran logro. Aunque ahora son de microescala, técnicas similares necesitarán ser impresas a nanoescala para los nanobots.
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La micro y nanotecnología es la más demandada para aplicaciones de atención médica, donde también se aplica la biomímesis. Estos micro-vieiras, solo una fracción de un milímetro de tamaño, están diseñados para navegar por el torrente sanguíneo humano, e incluso por el ojo humano. Los científicos ya dirigieron una enjambre de robots nadadores microscópicos para eliminar los microbios de la neumonía de los pulmones de los ratones.
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Una inyección intravenosa equivalente de antibióticos necesitaría ser 3,000 veces mayor para lograr el mismo resultado. Esto podría mejorar la penetración de los antibióticos para salvar más vidas, ya que un millón de adultos en los EE. UU. son hospitalizados por neumonía, y 50,000 mueren anualmente. A nivel mundial, la neumonía mata a 2.5 millones de personas en promedio.
Este nanobot tomado como una píldora puede inyectar medicamentos como la insulina directamente en el intestino, donde el usuario no siente el dolor de la inyección. La microbotica también ha llevado a la creación del marcapasos más pequeño del mundo. Los investigadores de Penn Dental han utilizado microbots para tratar áreas difíciles de alcanzar del conducto radicular para biofilms, la entrega de medicamentos o la recuperación de muestras de diagnóstico. Los microbots cambiantes de forma también han sido utilizados para cepillar y usar hilo dental. Robots 10 veces más pequeños que un glóbulo rojo podrían usarse pronto para combatir las células cancerosas, controlados por ondas de ultrasonido. O se podrían usar imanes para entregar medicamentos a través de nanovarillas directamente a la médula espinal. Otros microbots pueden cambiar de forma y endurecerse para imitar el crecimiento óseo.
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Los nanobots también pueden propagar antibióticos dirigidos a través de toda una herida, una gran mejora en comparación con los antibióticos típicos que solo matan bacterias donde se administran localmente. Esta tecnología podría usarse para combatir bacterias que se esconden en las prótesis de rodilla u otras articulaciones o para tratar cálculos renales. Las bacterias son la cuarta causa más grande de muerte en los hospitales de los EE. UU. y matan aproximadamente a 1.2 millones de personas al año.
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Los microbots han tomado la forma de todo, desde lodo magnético hasta pasta para navegar por el cuerpo humano y recuperar objetos una vez dentro. Eventualmente, estos microbots podrían ser ensamblados en enjambres para entregar medicamentos o desbloquear arterias. Una empresa, Bionaut Labs, planea ensayos clínicos dentro de dos años para sus microbots inyectados en el cuerpo y guiados por imanes para tratar malformaciones cerebrales congénitas y tumores. No solo son los humanos los que los microbots podrían curar. Aplicaciones similares podrían usarse para crear nanorobots que se curen a sí mismos también. Los investigadores han hecho nanobots que se auto-reparan cuando se rompen y reparan circuitos cuando se dañan, como los utilizados para alimentar baterías de coches eléctricos.
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La próxima frontera médica de los microbots serán los pequeños robots biohíbridos, controlados a distancia para realizar operaciones bioquímicas de alta precisión. No serán más grandes que una célula biológica, o incluso más pequeños, para viajar a través del sistema circulatorio, la ruta de entrega ideal. Los nanobots biohíbridos eventualmente podrían eliminar coágulos de sangre del cerebro sin cirugía, entregar medicamentos directamente a los órganos, o asistir con la fertilización. [text]La nanomedicina se centra particularmente en terapias localizadas para combatir el cáncer, y se ha hecho mucho progreso. Los científicos más recientemente probaron imanes para entregar microbots asesinos de cáncer directamente a los tumores. Los nanobots eventualmente podrían mejorar CRISPR también. La financiación reciente para enfoques basados en CRISPR para detectar y tratar la sepsis incluyó aplicaciones de nanobots bio-inorgánicos híbridos. Incluso hay un microbot de prueba de concepto que podría imprimir células saludables directamente dentro del cuerpo humano, donde las necesitamos para crecer o curar, como para reparar heridas gástricas. Actualmente se cree que nanobots biohíbridos como este podrían comenzar a habitar nuestros cuerpos para 2030 como muy pronto.
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La aplicación de nanobots más lejana es la exploración espacial, ya que muchas agencias espaciales tienen varios tipos y etapas de planes en marcha para agregar nanosensores y nanorobots para mejorar el rendimiento de las naves espaciales, los trajes espaciales y los rovers espaciales. Por ejemplo, los nanotubos de carbono podrían hacer naves espaciales más ligeras, elevadores espaciales, o velas solares. Capas de bio-nano robots a los trajes espaciales podrían auto-reparar daños, sellar perforaciones, o incluso proporcionar medicamentos a los astronautas directamente durante emergencias médicas.
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Las agencias espaciales también podrían utilizar nanosensores para buscar en planetas como Marte sustancias químicas esenciales como el agua, o monitorear niveles traza de sustancias químicas nocivas como parte de un sistema de soporte vital de una nave. Los científicos también podrían crear nanonaves (o nanosondas) para explorar incluso el universo. La NASA tenía planes para un enjambre de nanotecnología autónomo conocido como ANTS, y más recientemente, el concepto SWIM recibió una financiación de $600,000. SWIM podría potencialmente reemplazar al helicóptero Ingenuity de la NASA para informar a los rovers sobre su entorno, equipando a cada robot en el enjambre con sus propios sistemas de propulsión y comunicación. La NASA también anunció planes para su proyecto "starchip" en 2016, pero las colisiones con gas y polvo flotando en el espacio serían suficientes para ser catastróficas para las naves, por lo que aún está en progreso.
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Con los acelerados avances exponenciales en IA, es concebible que la tecnología para enviar estas nanosondas autoreplicantes al espacio podría estar lista para 2050. Pero dejaremos que Michio Kaku tenga la última palabra sobre este tema.