Emulan microrrobots el nado de microorganismos

Emulan microrrobots el nado de microorganismos
Por Laura Romero en la Gaceta de la UNAM Núm. 4, 710

En los institutos de Ingeniería y  de Investigaciones en Materiales se desarrollan microrrobots que emulan el nado de microorganismos, no sólo porque científicamente eso ayuda a responder preguntas de la biología, física e ingeniería, sino también por sus potenciales aplicaciones en la industria, como la revisión de tuberías, y en tamaños aún más pequeños, nanométricos, para destapar arterias o depositar medicamentos de manera localizada.

Desde el punto de vista biológico, explicó Francisco Godínez, del Instituto de Ingeniería, es importante estudiar ese nado porque aún se desconocen los procesos de concepción, por mencionar un caso. “Si pensamos en un espermatozoide parece ser claro que tiene un flagelo que se mueve, pero a ciencia cierta no se entiende cómo se desplaza en la mucosidad vaginal”.

La mayoría de fluidos biológicos muestran adelgazamiento y viscoelasticidad; esa mucosa presenta este tipo de comportamiento y el espermatozoide está diseñado para desplazarse más rápido en ese medio pero, en cambio, no podría hacerlo de manera tan eficiente en agua.

Desde la perspectiva de la hidrodinámica y de la física, no se entienden los procesos que utilizan los microorganismos para moverse. En ingeniería es importante imitarlos con microrrobots que tengan diversas aplicaciones.

Tres tipos

Godínez apuntó que nadan a un bajo número de Reynolds, parámetro adimensional que relaciona las fuerzas de inercia con las fuerzas viscosas, y que simplemente significa que no tienen inercia. A diferencia de un humano o una ballena que dejan de patalear o aletear y se siguen desplazando, en el caso de esos microorganismos, si dejan de mover el flagelo instantáneamente quedan quietos.

El equipo, donde también participa Roberto Zenit, del Instituto de Investigaciones en Materiales, ha construido tres diferentes microrrobots para extrapolar los resultados y explicar qué pasa. Tomaron como modelo a los espermatozoides y a la bacteria Escherichia coli, que tiene una cabeza elipsoidal y varios flagelos que se enrollan y forman una especie de hélice rígida, con la que se impulsan en su medio, normalmente agua sucia.

En un tercer modelo, con un filamento altamente flexible, se pretende modificar la cinemática del robot para estudiar cómo transita en diferentes fluidos.

Se realizó un estudio comparativo entre el comportamiento de estos nadadores y “encontramos que no hay una respuesta general para explicar el nado de este tipo de dispositivos”. En realidad, debe tomarse en cuenta cómo se excitan para que se muevan en un medio, es decir, cómo se controlan inalámbricamente; también, la geometría del nadador y, por último, el medio o el tipo de fluido donde se desplazan.

Los microrrobots, que han sido presentados en congresos de la American Physical Society, no son sólo de tamaño milimétrico (con unos 30 milímetros: 10 o 12 mm de cabeza y 20 mm de cola), sino de bajo costo, porque están hechos de materiales sencillos, como resortes de pluma, cilindros de poliestireno (popotes) y un imán permanente que puede estar ubicado en la cabezao en medio del cuerpo.

Las colasson de fibra óptica para emular el nado del espermatozoide y filamentos de látex, para el caso de E. coli. En el cuerpo o cabeza se atrapa una burbuja de aire para lograr una flotación neutra; de otro modo, tiende a irse hacia arriba o hundirse. Para darles movimiento, se emplean bobinas Helmholtz, un arreglo de alambres enrollados por los que se pasa corriente eléctrica para generar un campo magnético, en rotación.

Justo en el centro del par de bobinas se coloca una pecera con mezclas de glucosa y agua, o poliacrilamida, que es un polímero; el movimiento de estas últimas hace que el imán dentro de la cabeza del nadadorse empate con las líneas de campo de las bobinas, y entonces el robot rota y se desplaza.

Resultados

Durante sus investigaciones, Godínez y sus colaboradores encontraron que robots multicolas presentan un incremento sustancial de la velocidad, en comparación con los que utilizan una sola. Asimismo, hallaron que de las tres geometrías propuestas, la que imita a E. coli es la que tiene mejor desempeño.

Aunque las aplicaciones de estas investigaciones pueden ser útiles en la industria, los resultados tienen validez y pueden extrapolarse a los nanorrobots, que se ocupan en la biomedicina. Puede haber una retroalimentación.

Algunos resultados ya han sido publicados, como el artículo reciente “Complex fluids affect low-Reynolds number locomotion in a kinematic-dependent manner”, incluido en la revista Experiments in fluids.

También, se ha establecido una estrecha colaboración con Erik Lauga, de la Universidad de Cambridge, quien es referencia en el tema y estudia locomoción en fluidos.

Además, se proyecta introducir este tipo de nadadores en medios granulares, en peceras con partículas de vidrio de diferentes tamaños y evaluar su comportamiento, pues el mecanismo de locomoción se cumple aunque el medio ya no sea un fluido. La meta es aplicarlos para censar la condición o la calidad de granos en silos, finalizó.

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