Microbótica

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

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

Donde v es la velocidad del movimiento, g es el campo gravitatorio y 𝞴s es la longitud de la zancada. Un microrobot con un número de Froude bajo se mueve más lento y de forma más estable, ya que predominan las fuerzas gravitatorias, 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 reptar es uno de los tipos de locomoción superficial más comunes. Los mecanismos empleados por los microrobots para reptar pueden variar, pero generalmente incluyen el movimiento sincronizado de múltiples patas o apéndices. El mecanismo de movimiento de los microrobots suele inspirarse en animales como insectos, reptiles y pequeños mamíferos. Un ejemplo de microrobot reptante es RoBeetle. Este microrobot autónomo pesa 88 miligramos (aproximadamente el peso de tres granos de arroz). El robot se alimenta mediante la combustión catalítica de metanol. Su diseño se basa en micromúsculos artificiales catalíticos controlables de NiTi-Pt con un mecanismo de control mecánico. ^{[ 18 ]}

Otras opciones para accionar la locomoción superficial 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, adoptan estrategias de locomoción de pequeños animales acuáticos o microorganismos, como la propulsión flagelar, la tracción, la propulsión química, la propulsión a chorro y la ondulación de la cola. Para avanzar, los microrobots nadadores deben impulsar el agua hacia atrás. ^{[ 17 ]}

Los microrobots se mueven en el régimen de bajo número de Reynolds debido a su pequeño tamaño y bajas velocidades de operación, así como a la alta viscosidad de los fluidos que navegan. A este nivel, las fuerzas viscosas predominan sobre las fuerzas inerciales. Esto requiere un enfoque de diseño diferente al de la natación a macroescala para lograr movimientos efectivos. El bajo número de Reynolds también permite movimientos precisos, lo que los hace idóneos para aplicaciones en medicina, tareas de micromanipulación y monitoreo ambiental. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

_{Las fuerzas de arrastre} viscoso ( Stokes ) dominantes T sobre el robot equilibran la fuerza propulsora F _p generada por un mecanismo de natación.

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

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

Un ejemplo de microrobot nadador es un microrobot magnético helicoidal compuesto por una cola espiral y un cuerpo con cabeza magnética. Este diseño se inspira 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 transforma en movimiento lineal. Esta conversión es altamente efectiva en entornos con bajo número de Reynolds debido a la singular estructura helicoidal del microrobot. Al modificar el campo magnético externo, la dirección del movimiento del microrobot espiral se puede invertir fácilmente. ^{[ 19 ]}

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

Debido a la tensión superficial, σ, la fuerza de flotación, F _b , y la fuerza de curvatura, F _c , desempeñan los papeles más importantes, particularmente a la hora de 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. En cambio, F _c se obtiene integrando la presión de curvatura sobre esta área o, alternativamente, la componente vertical de la tensión superficial.${\displaystyle \sigma \sin \theta }$, a lo largo del perímetro de contacto. ^{[ 21 ]}

Un ejemplo de un microrobot trepador y caminante que utiliza locomoción aire-fluido es el Microrobot Ambulatorio Harvard con Electroadhesión (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 cual es facilitado por 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 flexibles y electroadhesivas, HAMR-E puede agarrar y deslizarse de forma 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 meticulosamente diseñados para operar en el aire emulando los mecanismos de vuelo de insectos y aves. Estos microrobots deben superar los problemas relacionados con la sustentación, el empuje y el movimiento, que resultan 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 propio 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 de las alas y la dinámica de 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 corporal, L es la longitud del ala, Φ representa la amplitud del aleteo en radianes, ρ indica la densidad del aire y V _i corresponde a la velocidad del aire inducida alrededor del cuerpo, 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 microrobot volador que utiliza la locomoción aérea 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 abeja, despega y aterriza como tal, y se mueve en espacios confinados. Puede utilizarse en operaciones autónomas de polinización y búsqueda de personas y objetos desaparecidos. 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 realizando diferentes trucos gracias a su peso mínimo y sus avanzados mecanismos de control. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Los microswimmers biohíbridos, compuestos principalmente por actuadores biológicos integrados y portadores de carga sintéticos, han mostrado recientemente un gran potencial para aplicaciones teranósticas mínimamente invasivas . ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} Diversos microorganismos, incluyendo bacterias, ^{[ 36 ] [ 37 ]} microalgas , ^{[ 38 ] [ 39 ]} y espermatozoides , ^{[ 40 ] [ 41 ]} se han utilizado para fabricar diferentes microswimmers biohíbridos con funcionalidades médicas avanzadas, como el control autónomo con estímulos ambientales para la focalización, la navegación a través de espacios estrechos y la acumulación en regiones necróticas de entornos tumorales. ^{[ 42 ]} La capacidad de dirigir los portadores de carga sintéticos con campos externos aplicados de largo alcance, como campos acústicos o magnéticos, ^{[ 43 ] [ 44 ]} y los comportamientos de taxia intrínsecos de los actuadores biológicos hacia diversos estímulos ambientales, como quimioatrayentes , ^{[ 45 ]} pH y oxígeno, ^{[ 46 ] [ 47 ]} hacen de los micronadadores biohíbridos un candidato prometedor para una amplia gama de aplicaciones de administración de carga activa médica. ^{[ 42 ] [ 29 ]}

Por ejemplo, existen microrobots biocompatibles basados ​​en microalgas para la administración activa de fármacos en el cerebro, ^{[ 28 ]} los pulmones y el tracto gastrointestinal, ^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]} y microrobots bacterianos diseñados y guiados magnéticamente para la "dirección precisa" ^{[ 51 ]} para combatir el cáncer ^{[ 52 ] [ 53 ]} que han sido probados con ratones.