Biorrobótica

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La biorrobótica es una ciencia interdisciplinaria que combina los campos de la ingeniería biomédica , la cibernética y la robótica para desarrollar nuevas tecnologías que integren la biología con sistemas mecánicos para desarrollar una comunicación más eficiente, alterar la información genética y crear máquinas que imiten los sistemas biológicos. ^[1]

La cibernética se centra en la comunicación y el sistema de organismos vivos y máquinas que pueden aplicarse y combinarse con múltiples campos de estudio como la biología, las matemáticas, la informática, la ingeniería y mucho más.

Esta disciplina se enmarca dentro de la rama de la biorrobótica por su campo de estudio combinado entre los cuerpos biológicos y los sistemas mecánicos. El estudio de estos dos sistemas permite realizar análisis avanzados sobre las funciones y procesos de cada sistema, así como las interacciones entre ellos.

La teoría cibernética es un concepto que existe desde hace siglos, desde la época de Platón , donde aplicó el término para referirse al "gobierno de las personas". El término cibernética se utilizó a mediados del siglo XIX por el físico André-Marie Ampère. ^[2] El término cibernética se popularizó a fines de la década de 1940 para referirse a una disciplina que se relacionaba con disciplinas establecidas, como la ingeniería eléctrica, las matemáticas y la biología, pero que estaba separada de ellas. ^[2]

La cibernética suele ser malinterpretada debido a la amplitud de disciplinas que abarca. A principios del siglo XX, se la definió como un campo de estudio interdisciplinario que combina la biología, la ciencia, la teoría de redes y la ingeniería. Hoy en día, abarca todos los campos científicos con procesos relacionados con sistemas. El objetivo de la cibernética es analizar los sistemas y procesos de cualquier sistema o sistemas en un intento de hacerlos más eficientes y efectivos. ^[2]

La cibernética se utiliza como un término general, por lo que sus aplicaciones se extienden a todos los campos científicos relacionados con los sistemas, como la biología, las matemáticas, la informática, la ingeniería, la gestión, la psicología, la sociología, el arte y más. La cibernética se utiliza en varios campos para descubrir principios de sistemas, adaptación de organismos, análisis de información y mucho más. ^[3]

La ingeniería genética es un campo que utiliza los avances tecnológicos para modificar organismos biológicos. Mediante distintos métodos, los científicos pueden alterar el material genético de microorganismos, plantas y animales para dotarlos de características deseables. Por ejemplo, hacer que las plantas crezcan más grandes, mejor y más rápido. ^[4] La ingeniería genética se incluye en la biorrobótica porque utiliza nuevas tecnologías para alterar la biología y cambiar el ADN de un organismo para su beneficio y el de la sociedad. ^{[5] [6]}

Aunque los seres humanos han modificado el material genético de animales y plantas mediante selección artificial durante milenios (como las mutaciones genéticas que transformaron el teosinte en maíz y los lobos en perros), la ingeniería genética se refiere a la alteración o inserción deliberada de genes específicos en el ADN de un organismo. El primer caso exitoso de ingeniería genética ocurrió en 1973, cuando Herbert Boyer y Stanley Cohen lograron transferir un gen con resistencia a los antibióticos a una bacteria. ^{[7] [8] [9]}

Hay tres técnicas principales utilizadas en la ingeniería genética: el método del plásmido, el método del vector y el método biolístico.

Esta técnica se utiliza principalmente para microorganismos como las bacterias. Mediante este método, se extraen moléculas de ADN llamadas plásmidos de las bacterias y se colocan en un laboratorio donde las enzimas de restricción las descomponen. A medida que las enzimas descomponen las moléculas, algunas desarrollan un borde áspero que se asemeja al de una escalera que se considera "pegajoso" y capaz de reconectarse. Estas moléculas "pegajosas" se insertan en otra bacteria donde se conectarán a los anillos de ADN con el material genético alterado. ^[10]

El método del vector se considera una técnica más precisa que el método del plásmido, ya que implica la transferencia de un gen específico en lugar de una secuencia completa. En el método del vector, se aísla un gen específico de una cadena de ADN mediante enzimas de restricción en un laboratorio y se inserta en un vector. Una vez que el vector acepta el código genético, se inserta en la célula huésped donde se transferirá el ADN. ^[10]

El método biolístico se utiliza normalmente para alterar el material genético de las plantas. Este método incorpora el ADN deseado con una partícula metálica, como oro o tungsteno, en un cañón de alta velocidad. Luego, la partícula se bombardea en la planta. Debido a las altas velocidades y al vacío generado durante el bombardeo, la partícula puede penetrar la pared celular e insertar el nuevo ADN en la célula. ^[11]

La ingeniería genética tiene muchos usos en los campos de la medicina, la investigación y la agricultura. En el campo médico, las bacterias modificadas genéticamente se utilizan para producir medicamentos como la insulina, las hormonas de crecimiento humano y las vacunas. En la investigación, los científicos modifican genéticamente los organismos para observar cambios físicos y de comportamiento con el fin de comprender la función de genes específicos. En la agricultura, la ingeniería genética es extremadamente importante, ya que los agricultores la utilizan para cultivar cultivos que sean resistentes a los herbicidas y a los insectos como el BTCorn. ^{[12] [13]}

La biónica es un campo de la ingeniería médica y una rama de la biorrobótica que consiste en sistemas eléctricos y mecánicos que imitan sistemas biológicos, como prótesis y audífonos. Es un término que combina biología y electrónica.

La historia de la biónica se remonta al antiguo Egipto. Se encontró un dedo protésico hecho de madera y cuero en el pie de una momia. Se estimó que el período de tiempo del cadáver de la momia era alrededor del siglo XV a. C. ^{[ cita requerida ]} La biónica también se puede presenciar en la antigua Grecia y Roma. Se fabricaron piernas y brazos protésicos para soldados amputados. A principios del siglo XVI, un cirujano militar francés llamado Ambroise Pare se convirtió en un pionero en el campo de la biónica. Era conocido por fabricar varios tipos de prótesis superiores e inferiores. Una de sus prótesis más famosas, Le Petit Lorrain, era una mano mecánica operada por pestillos y resortes. A principios del siglo XIX, Alessandro Volta siguió avanzando en la biónica. Sentó las bases para la creación de audífonos con sus experimentos. Descubrió que la estimulación eléctrica podía restaurar la audición insertando un implante eléctrico en el nervio sacular de la oreja de un paciente. En 1945, la Academia Nacional de Ciencias creó el Programa de Miembros Artificiales, que se centró en mejorar las prótesis, ya que había un gran número de soldados amputados durante la Segunda Guerra Mundial. Desde su creación, los materiales protésicos, los métodos de diseño informático y los procedimientos quirúrgicos han mejorado, creando la biónica moderna. ^[14]

Los componentes importantes que forman las prótesis modernas son el pilón, el encaje y el sistema de suspensión. El pilón es el marco interno de la prótesis que está hecho de varillas de metal o compuestos de fibra de carbono. El encaje es la parte de la prótesis que conecta la prótesis a la extremidad faltante de la persona. El encaje consiste en un revestimiento suave que hace que el ajuste sea cómodo, pero también lo suficientemente ceñido para permanecer en la extremidad. El sistema de suspensión es importante para mantener la prótesis en la extremidad. El sistema de suspensión suele ser un sistema de arnés compuesto por correas, cinturones o mangas que se utilizan para mantener la extremidad unida.

El funcionamiento de una prótesis puede diseñarse de diversas maneras. La prótesis puede ser accionada por el cuerpo, por energía externa o por energía mioeléctrica. Las prótesis accionadas por el cuerpo consisten en cables unidos a una correa o arnés, que se coloca en el hombro funcional de la persona, lo que le permite manipular y controlar la prótesis como crea conveniente. Las prótesis accionadas por energía externa consisten en motores para accionar la prótesis y botones e interruptores para controlarla. Las prótesis accionadas por energía mioeléctrica son formas nuevas y avanzadas de prótesis en las que se colocan electrodos en los músculos por encima de la extremidad. Los electrodos detectarán las contracciones musculares y enviarán señales eléctricas a la prótesis para moverla. La desventaja de este tipo de prótesis es que si los sensores no se colocan correctamente en la extremidad, los impulsos eléctricos no moverán la prótesis. ^[15] TrueLimb es una marca específica de prótesis que utiliza sensores mioeléctricos que permiten a una persona tener control de su extremidad biónica. ^[15]

Cuatro componentes principales forman el audífono : el micrófono, el amplificador, el receptor y la pila. El micrófono capta el sonido exterior, lo convierte en señales eléctricas y las envía al amplificador. El amplificador aumenta el sonido y lo envía al receptor. El receptor convierte la señal eléctrica nuevamente en sonido y lo envía al oído. Las células ciliadas del oído detectan las vibraciones del sonido, las convierten en señales nerviosas y las envían al cerebro para que los sonidos puedan volverse coherentes para la persona. La pila simplemente alimenta el audífono. ^[16]

Los implantes cocleares son un tipo de audífono para personas sordas. Los implantes cocleares envían señales eléctricas directamente al nervio auditivo , el nervio responsable de las señales sonoras, en lugar de enviar las señales únicamente al canal auditivo como los audífonos convencionales.

Estos audífonos también se utilizan para personas con pérdida auditiva grave. Se adhieren a los huesos del oído medio para crear vibraciones sonoras en el cráneo y enviarlas a la cóclea .

La piel sensora artificial detecta cualquier presión que se ejerza sobre ella y está destinada a personas que han perdido la sensibilidad en partes de su cuerpo, como los diabéticos con neuropatía periférica .

Un ojo biónico es un implante bioelectrónico diseñado para restaurar la visión a personas con ceguera.

Aunque la tecnología todavía está en desarrollo, ha permitido que algunas personas legalmente ciegas vuelvan a distinguir las letras. ^[17]

Replicar la retina , que contiene millones de fotorreceptores , e igualar las excepcionales capacidades de lente y rango dinámico del ojo humano plantean desafíos significativos. La integración neuronal complica aún más el proceso. A pesar de estas dificultades, la investigación y el desarrollo de prototipos en curso han llevado a varios logros importantes en los últimos años. ^[17]

La biónica ortopédica consiste en miembros biónicos avanzados que utilizan el sistema neuromuscular de una persona para controlar el miembro biónico. Un nuevo avance en la comprensión de la función cerebral ha llevado al desarrollo e implementación de interfaces cerebro-máquina (BMI). ^[18] Las BMI permiten el procesamiento de mensajes neuronales entre las regiones motoras del cerebro y los músculos de un miembro específico para iniciar el movimiento. ^[18] Las BMI contribuyen en gran medida a la restauración del movimiento independiente de una persona que tiene un miembro biónico y/o un exoesqueleto. ^[18]

Estos robots pueden eliminar un pólipo durante una colonoscopia.

Las interacciones entre animales y robots son un campo de la biorrobótica que se centra en la combinación de compuestos robóticos con individuos o poblaciones animales. ^[19] El dominio se puede subdividir en dos ramas principales, una que relaciona los dispositivos mecatrónicos con animales individuales y otra con poblaciones animales. Ambas ramas tienen una variedad de aplicaciones, que van desde los cíborgs animales que se benefician de las capacidades motoras superiores de los animales ^[20] hasta los estudios etológicos en torno al comportamiento colectivo animal. ^{[21] [22] [23]} Si bien esta representación dibuja una visión globalmente precisa del dominio, algunas interacciones entre animales y robots no se pueden clasificar estrictamente en una u otra de estas ramas, o a veces son una mezcla de ambas. Este es el caso, en particular, de los robots etológicos que interactúan de uno a uno ^{[22] [24]} o cuando los animales eusociales se consideran como un solo superorganismo que interactúa con un solo dispositivo robótico. En este último caso, se utiliza el término superorganismo biohíbrido para describir la combinación de un dispositivo robótico con un superorganismo para permitir la interacción, el control y, por tanto, el estudio de este último superorganismo. ^{[25] [26] [27]}

Las sociedades mixtas combinan un conjunto de animales (sociedad animal) con un conjunto de dispositivos robóticos (sociedad artificial). Se debe tener cuidado al utilizar la palabra sociedad, ya que el sustantivo podría inducir a error dentro de la comunidad de zoólogos que se dedica a este campo; una palabra más precisa sería poblaciones, ^[19] que también es la que se utiliza en el resto de esta sección.

Normalmente, la población robótica está compuesta por réplicas robóticas de los individuos animales objetivo.

• Instituto de BioRobótica, Scuola Superiore Sant'Anna, Pisa, Italia
• Laboratorio de biorrobótica. Instituto de robótica, Universidad Carnegie Mellon*
• Bioroïdes - Cronología de la popularización de la idea (en francés )
• Laboratorio de Biorobótica de Harvard, Universidad de Harvard
• Laboratorio de locomoción en sistemas mecánicos y biológicos (LIMBS), Universidad Johns Hopkins
• Laboratorio de biorrobótica en Corea Archivado el 14 de mayo de 2012 en Wayback Machine
• Laboratorio de Robótica Biomédica y Biomicrosistemas, Italia
• Pequeñas mochilas para las células (MIT News)
• Laboratorio de robótica de inspiración biológica, Universidad Case Western Reserve
• Laboratorio de biorrobótica y modelado humano - Instituto Tecnológico de Georgia
• Laboratorio de Biorobótica de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suiza)
• Laboratorio de Biorobótica, Universidad Libre de Berlín Archivado el 22 de abril de 2013 en Wayback Machine. (Alemania)
• Grupo de investigación en biorrobótica, Instituto de Ciencias del Movimiento, CNRS/Universidad de Aix-Marsella (Francia)
• Centro de Biorrobótica, Universidad Tecnológica de Tallin (Estonia)