Microbótica

La microbótica (o microrrobótica ) es el campo de la robótica en miniatura , en particular los robots móviles con dimensiones características inferiores a 1 mm. El término también se puede utilizar para robots capaces de manipular componentes de tamaño micrométrico.

Los microbots nacieron gracias a la aparición del microcontrolador en la última década del siglo XX, y a la aparición de los sistemas microelectromecánicos (MEMS) sobre silicio, aunque muchos microbots no utilizan silicio para otros componentes mecánicos que no sean sensores.Las primeras investigaciones y diseños conceptuales de estos pequeños robots se llevaron a cabo a principios de la década de 1970 en una investigación (en aquel entonces) clasificada para las agencias de inteligencia de los Estados Unidos . Las aplicaciones previstas en ese momento incluían la asistencia para el rescate de prisioneros de guerra y misiones de intercepción electrónica. Las tecnologías subyacentes de apoyo a la miniaturización no estaban completamente desarrolladas en ese momento, por lo que el progreso en el desarrollo de prototipos no se produjo de inmediato a partir de este primer conjunto de cálculos y diseño conceptual. ^[1] A partir de 2008, los microrobots más pequeños utilizan un actuador de accionamiento por rascado . ^[2]

El desarrollo de las conexiones inalámbricas , especialmente el Wi-Fi (es decir, en las redes domésticas ) ha aumentado enormemente la capacidad de comunicación de los microbots y, en consecuencia, su capacidad de coordinarse con otros microbots para llevar a cabo tareas más complejas. De hecho, muchas investigaciones recientes se han centrado en la comunicación de los microbots, incluido un enjambre de 1.024 robots en la Universidad de Harvard que se ensamblan a sí mismos en diversas formas; ^[3] y la fabricación de microbots en SRI International para el programa "MicroFactory for Macro Products" de DARPA que pueden construir estructuras ligeras y de alta resistencia. ^{[4] [5]}

También se han construido microbots llamados xenobots utilizando tejidos biológicos en lugar de metal y componentes electrónicos. ^[6] Los xenobots evitan algunas de las complicaciones tecnológicas y ambientales de los microbots tradicionales, ya que son autoalimentados, biodegradables y biocompatibles.

Aunque el prefijo "micro" se ha utilizado de forma subjetiva para significar "pequeño", la estandarización en escalas de longitud evita confusiones. Por lo tanto, un nanorobot tendría dimensiones características de 1 micrómetro o menos, o manipularía componentes en el rango de tamaño de 1 a 1000 nm. ^{[ cita requerida ]} Un microrobot tendría dimensiones características de menos de 1 milímetro, un milirobot tendría dimensiones de menos de un cm, un minirobot tendría dimensiones de menos de 10 cm (4 pulgadas) y un robot pequeño tendría dimensiones de menos de 100 cm (39 pulgadas). ^[7]

Muchas fuentes también describen a los robots de más de un milímetro como microbots o a los robots de más de un micrómetro como nanobots. Véase también: Categoría:Micro robots

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La forma en que se desplazan los microrobots depende de su propósito y del tamaño necesario. En tamaños submicrónicos, el mundo físico exige formas bastante extrañas de desplazarse. El número de Reynolds para los robots aerotransportados es menor que la unidad; las fuerzas viscosas dominan las fuerzas inerciales , por lo que “volar” podría utilizar la viscosidad del aire, en lugar del principio de sustentación de Bernoulli . Los robots que se desplazan a través de fluidos pueden requerir flagelos giratorios como la forma móvil de E. coli . Saltar es sigiloso y energéticamente eficiente; permite al robot sortear las superficies de una variedad de terrenos. ^[8] Los cálculos pioneros (Solem 1994) examinaron posibles comportamientos basados ​​en realidades físicas. ^[9]

Uno de los principales desafíos en el desarrollo de un microrobot es lograr movimiento utilizando una fuente de energía muy limitada . Los microrobots pueden utilizar una pequeña fuente de batería liviana como una celda de moneda o pueden recolectar energía del entorno circundante en forma de vibración o energía luminosa. ^[10] Los microrobots también están utilizando motores biológicos como fuentes de energía, como Serratia marcescens flagelada , para extraer energía química del fluido circundante para activar el dispositivo robótico. Estos biorobots pueden controlarse directamente mediante estímulos como la quimiotaxis o la galvanotaxis con varios esquemas de control disponibles. Una alternativa popular a una batería incorporada es alimentar a los robots utilizando energía inducida externamente. Los ejemplos incluyen el uso de campos electromagnéticos, ^[11] ultrasonidos y luz para activar y controlar micro robots. ^[12]

El estudio de 2022 se centró en un enfoque fotobiocatalítico para el "diseño de microrobots impulsados ​​por luz con aplicaciones en microbiología y biomedicina". ^{[13] [14] [15]}

Los microrobots emplean diversos métodos de locomoción para desplazarse por diferentes entornos, desde superficies sólidas hasta fluidos. Estos métodos suelen estar inspirados en sistemas biológicos y están diseñados para ser eficaces a escala microscópica. ^[16] En el diseño y el funcionamiento de la locomoción de los microrobots es necesario maximizar varios factores (precisión, velocidad, estabilidad) y minimizar otros (consumo de energía, pérdida de energía) para garantizar un movimiento preciso, eficaz y eficiente. ^[17]

Al describir la locomoción de los microrobots, se utilizan varios parámetros clave para caracterizar y evaluar su movimiento, incluyendo la longitud de zancada y los costos de transporte. Una zancada se refiere a un ciclo completo de movimiento que incluye todos los pasos o fases necesarias para que un organismo o robot avance repitiendo una secuencia específica de acciones. La longitud de zancada (𝞴 _s ) es la distancia recorrida por un microrobot en un ciclo completo de su mecanismo de locomoción. El costo de transporte (CoT) define el trabajo requerido para mover una unidad de masa de un microrobot una unidad de distancia ^[17]

Los microrobots que utilizan la locomoción en la superficie pueden moverse de diversas maneras, como caminar, gatear, rodar o saltar. Estos microrobots se enfrentan a diferentes desafíos, como la gravedad y la fricción. Uno de los parámetros que describe la locomoción en la superficie es el número de Frounde, definido como:

${\displaystyle Fr={\frac {v^{2}}{g*\lambda _{s}}}}$

Donde v es la velocidad de movimiento, g es el campo gravitacional y � es la longitud de la zancada. Un microrobot que muestra un número de Froude bajo se mueve más lento y de manera más estable a medida que dominan las fuerzas gravitacionales, mientras que un número de Froude alto indica que las fuerzas inerciales son más significativas, lo que permite un movimiento más rápido y potencialmente menos estable. ^[17]

El gateo es uno de los tipos de locomoción de superficie más típicos. Los mecanismos que emplean los microrobots para gatear pueden diferir, pero por lo general incluyen el movimiento sincronizado de múltiples patas o apéndices. El mecanismo de los movimientos de los microrobots a menudo se inspira en animales como insectos, reptiles y pequeños mamíferos. Un ejemplo de un microrobot que se arrastra es RoBeetle. El microrobot autónomo pesa 88 miligramos (aproximadamente el peso de tres granos de arroz). El robot se alimenta mediante la combustión catalítica de metanol. El diseño se basa en micromúsculos artificiales catalíticos controlables basados ​​en NiTi-Pt con un mecanismo de control mecánico. ^[18]

Otras opciones para activar la locomoción de la superficie de los microrobots incluyen la actuación magnética, electromagnética, piezoeléctrica, electrostática y óptica.

Los microrobots nadadores están diseñados para operar en 3D a través de entornos fluidos, como fluidos biológicos o agua. Para lograr movimientos efectivos, se adoptan estrategias de locomoción de pequeños animales acuáticos o microorganismos, como propulsión flagelar, tracción, propulsión química, propulsión a chorro y ondulación de la cola. Los microrobots nadadores, para avanzar, deben impulsar el agua hacia atrás. ^[17]

Los microrobots se mueven en el régimen de bajo número de Reynolds debido a sus pequeños tamaños y bajas velocidades de operación, así como a la alta viscosidad de los fluidos que navegan. En este nivel, las fuerzas viscosas dominan sobre las fuerzas inerciales. Esto requiere un enfoque diferente en el diseño en comparación con la natación a escala macro para lograr movimientos efectivos. El bajo número de Reynolds también permite movimientos precisos, lo que lo convierte en una buena aplicación en medicina, tareas de micromanipulación y monitoreo ambiental. ^{[16] [17]}

Las fuerzas de arrastre viscosas dominantes ( de Stokes ) T _sobre el robot equilibran la fuerza propulsora F _p generada por un mecanismo de natación.

 ${\displaystyle T=T_{(}arrastre)={\frac {bv}{m}}}$

Donde b es el coeficiente de arrastre viscoso, v es la velocidad de movimiento y m es la masa corporal. ^[17]

Uno de los ejemplos de un microrobot nadador es un microrobot magnético helicoidal que consta de una cola en espiral y un cuerpo de cabeza magnético. Este diseño está inspirado en el movimiento flagelar de las bacterias. Al aplicar un par magnético a un microrobot helicoidal dentro de un campo magnético giratorio de baja intensidad, la rotación se puede transformar en un movimiento lineal. Esta conversión es muy eficaz en entornos con números de Reynolds bajos debido a la estructura helicoidal única del microrobot. Al alterar el campo magnético externo, la dirección del movimiento del microrobot espiral se puede revertir fácilmente. ^[19]

En el caso específico en que los microrobots se encuentran en la interfaz aire-fluido, pueden aprovechar la tensión superficial y las fuerzas proporcionadas por el movimiento capilar. En el punto donde el aire y un líquido, generalmente agua, se juntan, es posible establecer una interfaz capaz de soportar el peso de los microrobots mediante el trabajo de la tensión superficial. La cohesión entre las moléculas de un líquido crea tensión superficial, que de otro modo crea una "piel" sobre la superficie del agua, permitiendo que los microrobots floten en lugar de hundirse. A través de estos conceptos, los microrobots podrían realizar funciones de locomoción específicas, incluyendo trepar, caminar, levitar, flotar e incluso saltar, explorando las características de la interfaz aire-fluido. ^{[17] [20]}

Debido a la tensión superficial σ, la fuerza de flotabilidad F _b y la fuerza de curvatura F _c juegan los papeles más importantes, particularmente al decidir si el microrobot flotará o se hundirá en la superficie del líquido. Esto se puede expresar como

${\displaystyle \sigma =F_{b}+F_{c}}$

F _b se obtiene integrando la presión hidrostática sobre el área del cuerpo en contacto con el agua. Por el contrario, F _c se obtiene integrando la presión de curvatura sobre esta área o, alternativamente, el componente vertical de la tensión superficial, , a lo largo del perímetro de contacto. ^[21]${\displaystyle \sigma \sin \theta}$

Un ejemplo de un microrobot trepador y caminante que utiliza locomoción aire-fluido es el Harvard Ambulatory MicroRobot with Electroadhesion (HAMR-E). ^[22] El sistema de control de HAMR-E está desarrollado para permitir que el robot funcione de manera flexible y maniobrable en un entorno desafiante. Sus características incluyen su capacidad de moverse en planos horizontales, verticales e invertidos, lo que se facilita mediante el sistema de electroadhesión. Este utiliza campos eléctricos para crear atracción electrostática, lo que hace que el robot se adhiera y se mueva en diferentes superficies. ^[23] Con cuatro almohadillas para los pies flexibles y de electroadhesión, HAMR-E puede agarrar y deslizarse de manera segura sobre varios tipos de sustratos, incluidos vidrio, madera y metal. ^[22] El robot tiene un cuerpo delgado y es completamente articulado, lo que facilita la realización de movimientos complejos y el equilibrio en cualquier superficie.

Los microrobots voladores son sistemas robóticos en miniatura diseñados meticulosamente para operar en el aire emulando los mecanismos de vuelo de insectos y pájaros. Estos microrobots tienen que superar los problemas relacionados con la sustentación, el empuje y el movimiento que son difíciles de lograr a una escala tan pequeña, donde la mayoría de las teorías aerodinámicas deben modificarse. El vuelo activo es el modo de locomoción que consume más energía, ya que el microrobot debe levantar su peso corporal mientras se impulsa hacia adelante. ^[17] Para lograr esta función, estos microrobots imitan el movimiento de las alas de los insectos y generan el flujo de aire necesario para producir sustentación y empuje. Las alas miniaturizadas de los robots se accionan con materiales piezoeléctricos , que ofrecen un mejor control de la cinemática del ala y la dinámica del vuelo. ^[24]

Para calcular la potencia aerodinámica necesaria para mantener el vuelo estacionario con alas batientes, la ecuación física primaria se expresa como

${\displaystyle mg=2*\rho *l^{2}*\phi *\upsilon _{i}^{2}}$

donde m es la masa del cuerpo, L es la longitud del ala, Φ representa la amplitud del aleteo del ala en radianes, ρ indica la densidad del aire y V _i corresponde a la velocidad del aire inducida que rodea el cuerpo, una consecuencia de los movimientos de aleteo y rotación de las alas. Esta ecuación ilustra que un pequeño insecto o dispositivo robótico debe impartir suficiente impulso al aire circundante para contrarrestar su propio peso. ^[25]

Un ejemplo de un microrobot volador que utiliza la locomoción al volar es el RoboBee y el DelFly Nimble, ^{[26] [27]} que, en cuanto a dinámica de vuelo, emulan a las abejas y a las moscas de la fruta, respectivamente. La Universidad de Harvard inventó el RoboBee, un robot en miniatura que imita a una mosca abeja, despega y aterriza como una, y se mueve por espacios reducidos. Puede utilizarse en operaciones de polinización y búsqueda de personas y cosas desaparecidas sin conductor. El DelFly Nimble, desarrollado por la Universidad Tecnológica de Delft, es uno de los microvehículos aéreos más ágiles que puede imitar la maniobrabilidad de una mosca de la fruta haciendo diferentes trucos debido a su peso mínimo y a sus avanzados mecanismos de control. ^{[26] [27]}

Debido a su pequeño tamaño, los microbots son potencialmente muy baratos y podrían utilizarse en grandes cantidades ( robótica de enjambre ) para explorar entornos que son demasiado pequeños o demasiado peligrosos para las personas o los robots más grandes. Se espera que los microbots sean útiles en aplicaciones como la búsqueda de supervivientes en edificios derrumbados después de un terremoto o para arrastrarse por el tracto digestivo. Lo que les falta a los microbots en fuerza o potencia computacional, pueden compensarlo utilizando grandes cantidades, como en enjambres de microbots.

Las posibles aplicaciones con prototipos demostrados incluyen:

Los micronadadores biohíbridos, compuestos principalmente de actuadores biológicos integrados y transportadores de carga sintéticos, han demostrado recientemente ser prometedores para aplicaciones teranósticas mínimamente invasivas . ^{[31] [32] [33] [34]} Se han utilizado varios microorganismos, incluidas bacterias, ^{[35] [36]} microalgas , ^{[37] [38]} y espermatozoides , ^{[39] [40]} para fabricar diferentes micronadadores biohíbridos con funcionalidades médicas avanzadas, como control autónomo con estímulos ambientales para la orientación, navegación a través de espacios estrechos y acumulación en regiones necróticas de entornos tumorales. ^[41] La capacidad de dirección de los transportadores de carga sintéticos con campos externos aplicados de largo alcance, como campos acústicos o magnéticos, ^{[42] [43] y} los comportamientos de taxis intrínsecos de los actuadores biológicos hacia varios estímulos ambientales, como quimioatrayentes , ^[44] pH y oxígeno, ^{[45] [46]} hacen que los micronadadores biohíbridos sean un candidato prometedor para una amplia gama de aplicaciones de entrega de carga activa médica. ^{[41] [28]}

Por ejemplo, existen microrobots basados ​​en microalgas biocompatibles para la administración activa de fármacos en los pulmones y el tracto gastrointestinal, ^{[47] [48] [49]} y microrobots bacterianos diseñados y guiados magnéticamente para una "orientación precisa" ^[50] para combatir el cáncer ^{[51] [52]} que han sido probados con ratones.

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