Un reciente premio de investigación del Consejo Europeo de Investigación apoya el estudio de algunos de los vertebrados más pequeños del mundo, con la esperanza de desentrañar lo que se considera el misterio de la miniaturización animal. Los vertebrados pequeños pueden ser mil veces más grandes que los organismos unicelulares, pero ocupan una región del espacio de parámetros que presenta propiedades fascinantes y únicas.

Dentro de una sola célula, la multitud de orgánulos que interactúan son básicamente moléculas grandes y complejas con estructuras específicas que les permiten llevar a cabo funciones particulares. Las interacciones se producen a lo largo de las líneas de la bioquímica. A la escala de tamaño de los insectos, las arañas y los pequeños vertebrados, los componentes multicelulares forman la estructura funcional del organismo vivo. A escalas de tamaño tan diminutas se encuentran formidables desafíos de ingeniería, apreciados en el campo de la microbótica.

Entre los contendientes por ser los vertebrados más pequeños están los sapos pulga.

Con apenas siete milímetros de longitud, los sapos pulga se encuentran entre los vertebrados más pequeños de la Tierra. A pesar de su diminuto tamaño, sus órganos y funciones apenas difieren de los de animales mil veces más grandes. Aunque en la naturaleza abundan los ejemplos de miniaturización extrema, sigue siendo un misterio científico cómo estas criaturas llegan a ser tan pequeñas.

Graves desafíos de ingeniería

¿Es más fácil construir un microrobot o un robot a escala macro? Desde un punto de vista de ingeniería, la escala de tamaño más pequeña presenta serios desafíos.1

En los últimos años, el campo de la robótica miniaturizada se ha expandido rápidamente y muchos grupos de investigación han contribuido a los numerosos desafíos inherentes a este campo… Sin embargo, a pesar de todos los esfuerzos y de los muchos materiales blandos y tecnologías innovadoras disponibles, aún no se ha desarrollado un robot miniaturizado diseñado por sistemas (RMDS) totalmente autónomo que tenga alguna relevancia práctica… Un examen cuidadoso de los RMDS actuales diseñados física, mecánica y eléctricamente muestra que se quedan cortos en muchos aspectos en lo que respecta a la miniaturización, la integración a gran escala y la autosuficiencia.

Los principios físicos relacionados con las propiedades mecánicas de un sistema cambian apreciablemente con el aumento de la miniaturización. Diseñar un sistema miniaturizado funcional implica más dificultades que simplemente reducir el tamaño físico de cada componente.2

A medida que los sistemas se hacen más pequeños, las fuerzas relativas que actúan sobre el sistema cambian drásticamente y los robots experimentan un aumento de la fricción y la adhesión. Al mismo tiempo, el peso y la inercia se vuelven gradualmente irrelevantes. Los cambios en la mecánica de fluidos y el movimiento estocástico desafían las nociones fundamentales de ingeniería sobre cómo se mueven e interactúan los elementos mecánicos. Estos efectos físicos constituyen un factor crucial en el diseño y funcionamiento de robots a pequeña escala.

Soluciones ingeniosas para la miniaturización

Abundan las criaturas vivientes diminutas, que demuestran soluciones ingeniosas para la miniaturización que superan las habilidades tecnológicas humanas. A continuación se presenta una breve lista de los desafíos que enfrentan los ingenieros al intentar hacer robots del tamaño de la vida a pequeña escala, que incluye energía adecuada, «inteligencia» y mecanismos de control de retroalimentación de sensores.3

  • «Uno de los desafíos en el diseño de robots miniaturizados diseñados por sistemas (RMDS) capaces es el presupuesto de energía limitado, ya que los métodos de propulsión existentes requieren una potencia significativa y los sistemas de almacenamiento de energía (SAE) son extremadamente difíciles de reducir a escala submilimétrica”.
  • «Sin embargo, con la miniaturización del tamaño del robot, también está claro que los robots pierden la capacidad de inteligencia incorporada y se ven limitados en funcionalidades».
  • Los RMDS actuales no tienen energía incorporada y carecen de detección, actuación, procesamiento de datos y comunicación controlados por retroalimentación continua”.

Observar una pequeña araña que tejía su tela en la esquina de una ventana de mi casa me hizo pensar en el asombroso diseño de las criaturas en miniatura. Aunque esta pequeña criatura se había instalado en el interior de la ventana, la dejé en paz por fascinación. Tuve que mirar con atención para ver siquiera a la araña, de apenas un milímetro o dos de tamaño. Y sin embargo, había tejido esta pequeña tela que se extendía varios centímetros a lo largo de la esquina del alféizar de la ventana. A modo de comparación, esto sería como si yo usara una cuerda para construir una tela del tamaño de un campo de fútbol.

Este pequeño guerrero arácnido había logrado capturar presas en su tela (se podían ver varios de sus restos) y presumiblemente se alimentaba de ella. Piense en las capacidades que tiene esta pequeña criatura. Es móvil y autónoma. Puede ver su entorno y tomar decisiones basadas en esa información sensorial sobre dónde tejer su tela. Fabrica y distribuye las hebras de tela más finas, no al azar, sino con un tipo específico de diseño que puede atrapar a otros bichos pequeños. Puede inmovilizar a su presa y consumirla apropiadamente. Metaboliza su alimento para generar suficiente energía para la movilidad, la producción de telarañas y el procesamiento sensorial. Y presumiblemente puede reproducirse a sí misma de forma múltiple (¡aunque mi tolerancia con su existencia en mi casa puede que no se extienda a cubrir esta circunstancia!).

Una disciplina en avance

Aunque la microbótica es una disciplina en avance, todos los esfuerzos de los especialistas en este campo no han llegado ni de lejos a fabricar nada con las capacidades de esta pequeña araña. Las arañas más pequeñas descubiertas en la Tierra miden sólo unos 0,4 mm de diámetro, tal vez cinco veces más pequeñas que mi pequeña habitante de ventana. El hecho de incluir las muchas y sofisticadas capacidades de una araña en un paquete tan minúsculo habla del más alto nivel de diseño de ingeniería.

Notas

  1. Vineeth Kumar Bandari and Oliver G. Schmidt, “System-Engineered Miniaturized Robots: From Structure to Intelligence,” Adv. Intell. Syst. 2021, 3, 2000284.
  2. Vineeth Kumar Bandari and Oliver G. Schmidt, “System-Engineered Miniaturized Robots: From Structure to Intelligence,” Adv. Intell. Syst. 2021, 3, 2000284.
  3. Vineeth Kumar Bandari and Oliver G. Schmidt, “System-Engineered Miniaturized Robots: From Structure to Intelligence,” Adv. Intell. Syst. 2021, 3, 2000284

Artículo publicado originalmente en inglés por Eric Hedin en Evolution News & Science Today