La IA controla gusanos robot guiados por láser
ARRIBA: Configuración del sistema RoboWorm guiado por láserREIMPRIMIDO CON PERMISO DE X. DONG ET AL., SCIENCE ROBOTICS, 6:EABE3950, 2021
Los robóticos han construido por primera vez un sistema computacional automatizado para controlar los movimientos de un organismo multicelular vivo, un gusano modificado genéticamente (Caenorhabditis elegans) cuyos músculos se contraen en respuesta a la luz azul . El nematodo guiado por láser, descrito la semana pasada (30 de junio) en Science Robotics, se llama RoboWorm.
La mayoría de los microrobots biohíbridos [en desarrollo] se basan principalmente en bacterias, dice Li Zhang, investigador de nanomateriales y microrobótica de la Universidad China de Hong Kong que no participó en la investigación. Pero en este estudio, proponen el uso de C. elegans, un gusano, como agente robótico. . . [de una] manera muy interesante e inteligente.
El mundo natural es una fuente inagotable de inspiración para las hazañas humanas de la ingeniería, y en ninguna parte es más evidente que en el campo de la robótica. Los animales han inspirado la forma en que los robots grandes caminan, vuelan y nadan, mientras que a escala microrrobótica, los expertos en robótica emplean células vivas y microorganismos reales para realizar tareas controladas por computadora, como bacterias magnetizadas que pueden transportar medicamentos o neutrófilos que pueden dirigirse a los tumores. . Ahora, el ingeniero Xinyu Liu de la Universidad de Toronto y sus colegas han ido un paso más allá al convertir un organismo multicelular vivo completo en un microrobot biológico controlable.
Ese organismo, C. elegans, es un gusano nematodo de vida libre de aproximadamente 1 mm de longitud que reside en el suelo y es un organismo modelo ampliamente estudiado en laboratorios de todo el mundo. Liu dice que no tiene en mente una aplicación particular para RoboWorm; más bien, su creación fue una demostración conceptual. Pero puede inspirar más desarrollos microrobóticos. De hecho, dice Zhang, mientras que C. elegans no vive en humanos, tiene parientes parásitos cercanos que sí lo hacen, y tal vez las futuras versiones de RoboWorm podrían tener usos biomédicos.
Para generar RoboWorm, el equipo de Lius usó una cepa modificada genéticamente de C. elegans en el que las células musculares producen un canal iónico sensible a la luz llamado canalrodopsina. Cuando los músculos de los gusanos se iluminan con un láser azul, los canales se abren, los iones de calcio inundan las células y se activa la maquinaria de contracción. Las señales neuromusculares propias de los gusanos se desactivaron primero con un fármaco antiparasitario llamado ivermectina que paraliza al animal. Esencialmente, desconectaron los controles internos de los gusanos para evitar que interfirieran, explica el ingeniero Sylvain Martel de Polytechnique Montral que no participó en el estudio.
Para dirigir la locomoción en lugar de contracciones musculares aleatorias, el equipo primero analizó los movimientos naturales de los gusanos y la actividad muscular bajo un microscopio. Con base en estos estudios, determinaron cómo apuntar al cuerpo de los gusanos utilizando un microscopio especializado que podría emitir rayos láser con patrones precisos para activar músculos específicos en patrones específicos. El escaneo de este patrón láser a lo largo del gusano provocó una ola de contracciones musculares que impulsaron al gusano hacia adelante en su característico movimiento en forma de S, o sinusoidal.
El equipo luego automatizó por completo el sistema de guía RoboWorm. . Los algoritmos de procesamiento de imágenes rastrearon los movimientos de los animales en tiempo real y enviaron los datos a los algoritmos que controlaban la posición del láser y los patrones del haz. De esta manera, podían hacer avanzar, retroceder y, alterando la intensidad de ciertos rayos láser y, por lo tanto, la fuerza de las contracciones musculares específicas, a los gusanos, conducir a los animales a través de curvas graduales o pronunciadas e incluso hacerlos retroceder. Como prueba definitiva del sistema automatizado y los gusanos, el equipo programó la computadora para guiar a los gusanos a través de un laberinto.
Los investigadores guiaron un RoboWorm a través de un laberinto hecho de una película de plástico que se colocó encima de un agar. sustrato. Reimpreso con permiso de X. Dong et al., Science Robotics, 6:eabe3950, 2021
Si bien las aplicaciones biomédicas pueden estar demasiado lejos para imaginarlas en este momento, Liu dice que cree que el sistema será útil para estudiar la biología natural de la locomoción en los nematodos, así como para ayudar en el diseño de futuros microrobots.
RoboWorm ofrece una nueva vía, una nueva posibilidad para que los investigadores avancen en este campo de la microrobótica, dice Martel. Esto es muy bienvenido. . . [y tiene] un potencial muy interesante.