Los ciliados pueden hacer cosas asombrosas: al ser tan pequeños, el agua en la que viven es como una espesa miel para estos microorganismos. Sin embargo, a pesar de esto, pueden autopropulsarse a través del agua mediante el movimiento sincronizado de miles de personas extremadamentefilamentos delgados en su piel externa, llamados cilios. Investigadores del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart ahora están moviendo robots que son apenas perceptibles para el ojo humano de manera similar a través de líquidos. Para estos micro-nadadores, los científicos no están empleando complejoselementos impulsores ni fuerzas externas como los campos magnéticos. El equipo de científicos encabezado por Peer Fischer ha construido un modelo inspirado en ciliados utilizando un material que combina las propiedades de los cristales líquidos y las gomas elásticas, lo que hace que el cuerpo sea capaz de autopropulsarse tras la exposición aluz verde: los minisubmarinos que navegan por el cuerpo humano y detectan y curan enfermedades aún pueden ser material de ciencia ficción, pero las aplicaciones paraUn nuevo desarrollo en Stuttgart podría ver que los materiales alimentados por luz toman la forma de pequeños asistentes médicos al final de un endoscopio.
Su pequeño tamaño hace que la vida sea extremadamente difícil para los microorganismos que nadan. Como su movimiento prácticamente no tiene impulso, la fricción entre el agua y su piel exterior los ralentiza considerablemente, al igual que tratar de nadar a través de la miel espesa.También evita la formación de turbulencias, algo que podría transferir la fuerza al agua y, por lo tanto, conducir al nadador. Por esta razón, los filamentos golpean en un movimiento ondulado coordinado que recorre todo el cuerpo del organismo unicelular, similarhacia las patas de un ciempiés. Estas ondas mueven el líquido junto con ellas para que el ciliado, que mide aproximadamente 100 micrómetros, es decir, una décima de milímetro, tan grueso como un cabello humano, se mueva a través del líquido.
"Nuestro objetivo era imitar este tipo de movimiento con una microrobot", dice Stefano Palagi, primer autor del estudio en el Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes en Stuttgart, que también incluyó científicos colaboradores de las Universidades de Cambridge, Stuttgart yFlorencia Fischer, quien también es profesor de Química Física en la Universidad de Stuttgart, afirma que sería prácticamente imposible construir una máquina mecánica a la escala de longitud del ciliado que también reproduzca su movimiento, ya que necesitaría tener cientosde actuadores individuales, sin mencionar su control y suministro de energía.
Los elastómeros de cristal líquido se comportan como palos Mikado
Por lo tanto, los investigadores generalmente eluden estos desafíos ejerciendo fuerzas externas directamente sobre el micro-nadador: como un campo magnético que se utiliza para girar un pequeño tornillo magnético, por ejemplo. "Esto solo produce una libertad de movimiento limitada", dice Fischer.Sin embargo, los investigadores con sede en Stuttgart querían construir, era un tipo de nadador universal que sería capaz de moverse libremente a través de un líquido de forma independiente, sin aplicar fuerzas externas y sin un ritmo predefinido.
Lograron lograr esto con un método sorprendentemente simple, utilizando los llamados elastómeros de cristal líquido como cuerpos de natación. Cambian de forma cuando están expuestos a la luz o al calor. Al igual que un cristal líquido, consisten en moléculas en forma de varillaque inicialmente tienen una alineación paralela, similar a un paquete de palos Mikado antes de ser lanzados por el jugador. Las moléculas están conectadas entre sí, lo que le da al cristal líquido un cierto grado de solidez, como un caucho. Cuando se calienta, los palos pierdensu alineación y esto hace que el material cambie su forma, al igual que la forma en que los palos Mikado ocupan más espacio en el suelo cuando se arrojan.
El calor fue generado por los científicos en Stuttgart en sus experimentos al exponer el material a la luz verde. La luz también hace que cambie la forma de las moléculas en sí mismas. Estas moléculas tienen un enlace químico que actúa como una articulación. La radiaciónhace que la molécula en forma de barra en la articulación se doble en forma de U. Esto sirve para agravar el desorden molecular, que hace que el material se expanda aún más. El material responde muy rápidamente a la luz que se enciende y apaga.Cuando se apaga la luz, el material vuelve inmediatamente a su forma original.
Las protuberancias siguen la luz a lo largo del cuerpo de natación
Los investigadores produjeron dos tipos de microrobots: uno en forma de cilindro alargado, de aproximadamente un milímetro de largo y aproximadamente doscientos micrómetros de espesor, y el otro en forma de un pequeño disco de aproximadamente 50 micrómetros de espesor y con un diámetro de doscien o cuatrocientos micrómetros.
En un primer experimento, el equipo de Fischer proyectó un patrón rayado de luz en el robot cilíndrico con la ayuda de un microscopio. Observaron protuberancias que se formaban en las áreas iluminadas. Luego permitieron que el patrón de luz se extendiera por el cilindro, lo que provocó ellas protuberancias también se mueven hacia abajo a lo largo del cuerpo como ondas. "El movimiento es generado por los robots desde adentro", enfatiza Fischer. La luz simplemente transfiere energía al nadador, sin ejercer ninguna fuerza. Un gusano se mueve de manera similar.: crea ondas en su cuerpo, por lo que las protuberancias en forma de anillo y los alargamientos alineados longitudinalmente corren de un extremo del cuerpo del gusano al otro. El término especializado para esto es peristaltismo.
El movimiento peristáltico desencadenado por el patrón de luz transporta líquido a lo largo del cuerpo del micro-nadador, haciendo que se mueva en la dirección opuesta. De esta manera, el microrobot alcanzó una velocidad de aproximadamente 2.1 micrómetros por segundo y cubrió una distancia de 110 micrómetros.
Un rango desconocido de movimientos para micros nadadores
Peer Fischer y sus colegas también demostraron que pueden controlar los robots con un alto grado de flexibilidad. Esto se debe a que, en principio, se puede proyectar cualquier patrón de luz en los nadadores. Los investigadores generan un patrón utilizando un dispositivo de microespejo, unmatriz de casi 800,000 pequeños espejos que se pueden mover individualmente. De esta manera, proyectaron patrones de luz en un robot de disco y variaron la dirección para que el micro-nadador siguiera una trayectoria rectangular.
Luego, hicieron que el disco girara proyectando un patrón de luz que se asemeja a un ventilador en su superficie. Incluso lograron controlar dos robots de disco independientemente uno del otro: uno girado en sentido horario, el otro en sentido antihorario ". Esto significa que unes posible una amplia gama de movimientos dentro del mismo microrobot, que antes no se conocía en este campo ", enfatiza Stefano Palagi.
"Otra pregunta importante era si nuestros nadadores podrían hacerse aún más pequeños", agrega el coautor Andrew Mark. Un cálculo teórico demostró que esto debería ser posible: los micro-nadadores más pequeños también podrían autopropulsarse utilizando movimientos en forma de onda. Este es elMotivación detrás del trabajo de los investigadores con sede en Stuttgart: "Nuestro objetivo final es imitar lo más posible el trabajo de la naturaleza", dice Fischer.
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Materiales proporcionado por Max-Planck-Gesellschaft . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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