Los microrrobots ya están aquí

La hormiga es un prodigio afinado por millones de años de evolución. Levanta cargas que superan de largo su propio peso y trabaja en grupo con una coordinación precisa. Tras explorar el entorno y encontrar una fuente de alimento, el rastro químico de un solo ejemplar guía rápido al resto del hormiguero hasta su posición. Trabajando juntos, estos insectos realizan proezas que a escala humana nos asombrarían. “Vistas como sistemas mecánicos son impresionantes. Cuando comenzamos a estudiarlas pensábamos que podrían resistir mil veces su peso”, afirma en un estudio de biomecánica Carlos Castro, profesor de Ingeniería Aeroespacial en la Universidad Estatal de Ohio. ¿La realidad? Su equipo descubrió que soportan la presión ejercida por un peso de hasta 5.000 veces su masa corporal.

Aparte de por su fuerza, sorprenden por su velocidad: una hormiga recorre trescientos metros en una hora. El secreto, como el de otros insectos, reside tanto en una sorprendente biología como en su tamaño. Ser tan diminuto tiene inconvenientes (una pisada te mata), pero muchas ventajas. Con una pequeña masa corporal resulta más fácil volar o mantenerse adherido a cualquier superficie, y no se requieren grandes recursos energéticos para sostener una prolongada actividad.

Tecnología que imita la naturaleza

¿Podemos inspirarnos en estas propiedades físicas de los insectos para crear dispositivos electrónicos? ¿Mejorarán nuestros robots si los hacemos más pequeños en lugar de imitaciones de la forma humana? La respuesta es que sí. Para encontrar pruebas basta con visitar la Universidad de Stanford, en California, donde un equipo de investigadores liderados por David Christensen y Elliot Hawkes ha creado los MicroTugs, robots en miniatura capaces de arrastrar grandes objetos.

La menor de estas máquinas, de nueve gramos de peso, trepa por un cristal cargando un kilo a sus espaldas. La mayor, de doce gramos, arrastra pesas de veinte kilos sobre una superficie horizontal. Lo consiguen gracias a un mecanismo de adherencia imposible de reproducir en un robot de mayor escala, una goma que aumenta tanto la fricción que hace posible tirar de estos objetos con un hilo enrollado a una bobina y un pequeño motor eléctrico.

Estos ingenios forman parte de la familia de los microrrobots, dispositivos a menudo tan avanzados como los androides que vemos en ferias tecnológicas o vídeos de YouTube, pero cuyas dimensiones se miden en milímetros o unos pocos centímetros. Aprovechan las ventajas del mundo a escala reducida de los insectos y podrían desempeñar un papel determinante en nuestro futuro. Para ser precisos, el término microrrobot define máquinas con unas dimensiones características inferiores a un milímetro de longitud, aunque, por lo general, se considera como tal cualquier dispositivo del tamaño aproximado de un insecto –o con propiedades biomecánicas parecidas a las de este–. “Los humanos luchan contra la gravedad y la fricción para transportar objetos o desplazarse, pero a escalas menores se pueden aprovechar otras propiedades y fuerzas para las tareas requeridas”, afirma el ingeniero Christensen.

Algunos caminan sobre el agua

Cualquier autómata que opere en ese plano pertenece al grupo de los microrrobots, pero podemos seguir bajando de escala. La nanorrobótica es también una disciplina en auge y engloba las máquinas de menos de diez micrómetros de tamaño; un micrómetro o micra equivale a la millonésima parte de un metro. La diferencia no es solo de dimensiones. Si la microrrobótica está diseñada para actuar en un mundo de dimensiones humanas, la nanorrobótica suele centrarse en la manipulación a nivel molecular.

Lo consigue utilizando sistemas microelectromecánicos, también conocidos como MEMS, por sus siglas en inglés. Se trata de engranajes, pinzas y motores de dimensiones increíblemente pequeñas fabricados en silicio o polímeros y metales inteligentes capaces de reaccionar y moverse ante la presencia de corrientes eléctricas. Buscar un límite claro entre ambas disciplinas puede ser complicado. Uno de los nanorrobots más pequeños tiene 130 micrómetros de longitud. Es un pequeño filamento de un grosor inferior al de un pelo humano y se mueve por una superficie de electrodos que le proporcionan la energía necesaria. Este llamativo experimento ha salido de los laboratorios de la Universidad de Dartmouth (EE. UU.), y de momento no tiene una función clara. Pero otros ingenios liliputienses similares sí la poseen.

Científicos de la Universidad de Hong Kong han creado un robot de dimensiones parecidas que lleva medicamentos hasta áreas concretas dentro del cuerpo humano. Aún no han desarrollado un prototipo funcional, pero este género de dispositivos podría ayudar a combatir enfermedades que no tienen una cura fácil o requieren de cirugía arriesgada y de alta precisión. El Premio Nobel de Química concedido el pasado octubre ha respaldado estas probaturas. El galardón recayó en el británico Fraser Stoddart, el holandés Bernard Feringa y el francés Jean-Pierre Sauvage por diseñar y producir máquinas moleculares. Estas moléculas controlables mediante el suministro de luz, calor, carga eléctrica u otra forma de energía se combinan, por ejemplo, para formar ejes y aros entrelazados que componen estructuras 50.000 veces más finas que un cabello, como logró Sauvage, quien también hizo rotar una molécula de forma controlada en torno a otra.

Coches que solo se ven con un microscopio

Por su parte, Feringa y su equipo crearon un nanocoche que se movió a través de una superficie metálica impulsado por cuatro ruedas moleculares controladas mediante luz y electricidad. Esto abre la puerta a numerosas aplicaciones. Feringa cita una: "Podrían crearse robots diminutos que, una vez inyectados en el organismo, busquen células cancerosas para destruirlas". La computación o la fabricación de baterías increíblemente duraderas y pequeñas se presentan como otras dos de las posibles utilidades.

Son casos extremos. La mayoría de laboratorios y empresas centran sus investigaciones en dispositivos mecánicos de entre uno y diez centímetros de longitud, que ofrecen varias ventajas frente a los robots tradicionales. Su menor tamaño y peso les permiten caminar sobre el agua y adherirse a las paredes, entre otras proezas físicas, y al mismo tiempo es posible integrar en ellos instrumentos y sensores más complejos, como cámaras o pequeños brazos manipuladores.

La idea de fabricar robots diminutos no es nueva y, como pasa a menudo en la tecnología, hunde sus raíces en la ciencia ficción. Al imaginar un mundo poblado por humanoides mecánicos, muchos escritores acabaron explorando conceptos como el de los animales robóticos, y, por extensión, el de los insectos. Libros y películas como Viaje alucinante (1966), en el que unos científicos se reducen a una escala casi molecular para penetrar en el cuerpo de un paciente, despertaron el interés por la posibilidad de fabricar máquinas diminutas. La llegada de los semiconductores, los circuitos integrados y las técnicas de miniaturización a finales del siglo pasado hicieron posible dar los primeros pasos en esa dirección. Hoy, la microrrobótica es una de las disciplinas de ingeniería con mayor proyección.

Más sostenible, rápido y económico

Nos encontramos en un campo que interesa a los ejércitos, las compañías de biotecnología y hasta las empresas constructoras, por razones varias. Estas máquinas consumen menos energía que las de mayor tamaño y son más baratas de fabricar, porque necesitan menos materiales y se ensamblan en serie. Es posible dotarlas de nuevos sistemas de propulsión y locomoción sin sentido en dispositivos voluminosos, como la adherencia magnética o electrostática, y de alas ultraligeras en forma de membrana similares a las de abejas, libélulas, moscas y mosquitos.

Pueden también aprovechar nuevas formas de alimentación, como pequeños paneles solares o generadores termoeléctricos que crean corriente si hay mínimas variaciones de temperatura, o fuentes de carga inalámbricas de largo alcance que serían incapaces de mover un motor de gran tamaño o alimentar un microprocesador convencional; y su pequeñez las hace idóneas en medicina, ya que pueden actuar dentro del cuerpo sin necesidad de recurrir a la cirugía.

La mayor ventaja de estos robots, salvadas las dificultades de su construcción, que tratamos en la siguiente parte del dossier, no está en lo que logran de forma individual, sino trabajando juntos. "La precisión que se puede lograr en su control posibilita que colaboren con una redundancia mínima y que sumen sus capacidades de forma lineal", asegura Christensen. Sincronizados, dos docenas de sus MicroTugs consiguen tirar de un coche mediano.

Podrán autorrepararse

Estas posibilidades han cambiado la visión de muchos científicos, que ya no ven la robótica futura como un universo de androides que nos ayuden en las tareas más extenuantes o peligrosas, sino como un entorno poblado por enjambres de pequeños autómatas de todo tipo que desempeñarán trabajos que somos incapaces de realizar, o que requieren una gran inversión de tiempo y esfuerzo, desde el transporte de medicamentos a las partes del cuerpo afectadas por una enfermedad hasta la construcción de edificios.

Estos robots fabricarán copias de sí mismos, reciclarán y aprovecharán materiales­ cercanos y compensarán cualquier avería que se produzca en una unidad. Si hoy se estropea el brazo mecánico de una fábrica, por ejemplo, la línea de montaje debe pararse hasta que se repara. En un porvenir de microrrobots, la producción continuaría sin interrupciones, porque los propios autómatas repararían a su compañero o uno nuevo ocuparía su lugar en unos pocos segundos.

¿Hasta qué punto nos hallamos cerca de esta visión? Quedan varios obstáculos por salvar. El más importante, la autonomía. Una máquina así solo puede integrar una batería muy pequeña, y, aunque existen técnicas que podrían aliviar las necesidades energéticas de ciertos modelos, se trata de un campo al que habrá que destinar fuertes inversiones. En esto, los robots más pequeños se parecen mucho a los grandes.

Otro problema importante es el de las comunicaciones. Solo en los últimos años hemos empezado a considerar las dificultades asociadas al comportamiento colectivo en enjambres y a trabajar en modelos de software que permitan a este tipo de máquinas coordinarse entre ellas. Es un asunto con aplicaciones a gran escala también. Si algún día tenemos coches autónomos circulando por las calles, será necesario que hablen entre sí y coordinen sus movimientos para garantizar la máxima seguridad y eficiencia.

Con todo, hay situaciones muy concretas en las que ya se pueden emplear microrrobots como una alternativa a máquinas mayores. Ingenieros del MIT, en colaboración con la Universidad de Sheffield, en el Reino Unido, y el Instituto Tecnológico de Tokio, en Japón, han creado un dispositivo que se toma como una píldora y es capaz de recuperar en pocas horas una batería ingerida por un niño, problema frecuente que solo en Norteamérica afecta a más de 3.500 críos al año y que requiere de una compleja intervención quirúrgica. El robot se pliega como una hoja de origami para introducirse en la cápsula, pero una vez en el estómago se mueve hasta encontrar y recuperar la batería antes de que haga un daño irreparable.

Júntalos, actívalos y échate a dormir

La construcción y otras industrias también se beneficiarán de estos avances. La empresa SRI International posee una plataforma de fabricación que emplea microrrobots de unos milímetros de longitud para erigir estructuras. La clave de su desarrollo es una superficie inteligente que los alimenta y los mueve a la posición deseada. Gracias a ella, los autómatas no necesitan una batería propia para funcionar. Sobre esta superficie se distribuyen decenas de estos ingenios, cada uno equipado con las herramientas de trabajo necesarias y programado para una tarea concreta, como construir un andamio o manipular pequeñas cantidades de líquidos. Si hace falta, incluso pueden crear herramientas.

Los avances en miniaturización de componentes y nuevos materiales permitirán construir pronto autómatas de mayor eficiencia y aptos para tareas más complejas. Parte del encanto del reto reside en ver hasta dónde llegaremos, qué utilidades encontraremos a los instrumentos más fascinantes que hemos creado. Como dijo en 1959 el físico Richard Feynman en su famosa charla Hay mucho sitio al fondo, “estas micromáquinas resultarán al final más o menos útiles, pero no cabe duda de que serán muy divertidas de fabricar”.

Imágenes: Bae Systems / Greg Campbell - Universidad de Stanford / Technion