Por Jennifer Ch Nuestros músculos son los actuadores perfectos de la naturaleza, dispositivos que convierten la energía en movimiento. Por su tamaño, las fibras musculares son más potentes y precisas que la mayoría de los actuadores sintéticos. Incluso pueden curarse del daño y fortalecerse con el ejercicio. Por estas razones, los ingenieros están explorando formas de alimentar robots con músculos naturales. Han demostrado un puñado de robots "biohíbridos" que utilizan actuadores basados en músculos para alimentar esqueletos artificiales que caminan, nadan, bombean y se agarran. Pero para cada bot, hay una construcción muy diferente, y no hay un plan general sobre cómo aprovechar al máximo los músculos para cualquier diseño de robot dado. Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un dispositivo similar a un resorte que podría usarse como un módulo básico similar a un esqueleto para casi cualquier robot musculoso. El nuevo resorte, o "flexión", está diseñado para sacar el máximo provecho de cualquier tejido muscular adjunto. Igual que una prensa de piernas que se ajusta con la cantidad justa de peso, el dispositivo maximiza la cantidad de movimiento que un músculo puede producir naturalmente. Los investigadores encontraron que cuando colocaron un anillo de tejido muscular en el dispositivo, al igual que una banda elástica estirada alrededor de dos postes, el músculo tiró del resorte, de manera confiable y repetida, y lo estiró cinco veces más, en comparación con otros diseños de dispositivos anteriores. El equipo ve el diseño de flexión como un nuevo bloque de construcción que se puede combinar con otras flexiones para construir cualquier configuración de esqueletos artificiales. Luego, los ingenieros pueden equipar los esqueletos con tejidos musculares para impulsar sus movimientos. "Estas flexiones son como un esqueleto que la gente ahora puede usar para convertir la actuación muscular en múltiples grados de libertad de movimiento de una manera muy predecible", dice Ritu Raman, profesor de desarrollo profesional británico y Alex d'Arbeloff en Diseño de Ingeniería en el MIT. "Estamos dando a los expertos en robótica un nuevo conjunto de reglas para hacer robots potentes y precisos impulsados por músculos que hagan cosas interesantes". Raman y sus colegas informan de los detalles del nuevo diseño de flexión en un artículo que aparece hoy en la revista Advanced Intelligent Systems. Los coautores del estudio en el MIT incluyen a Naomi Lynch '12, SM '23; la estudiante de pregrado Tara Sheehan; los estudiantes de posgrado Nicolás Castro, Laura Rosado y Brandon Ríos; y el profesor de ingeniería mecánica Martin Culpepper. Tirón muscular Cuando se deja solo en una placa de Petri en condiciones favorables, el tejido muscular se contraerá por sí solo, pero en direcciones que no son del todo predecibles o de mucha utilidad. "Si el músculo no está unido a nada, se moverá mucho, pero con una gran variabilidad, donde simplemente se agita en líquido", dice Raman. Para conseguir que un músculo funcione como un actuador mecánico, los ingenieros suelen unir una banda de tejido muscular entre dos postes pequeños y flexibles. A medida que la banda muscular se contrae de forma natural, puede doblar los postes y unirlos, produciendo un movimiento que idealmente impulsaría parte de un esqueleto robótico. Pero en estos diseños, los músculos han producido un movimiento limitado, principalmente porque los tejidos son muy variables en la forma en que entran en contacto con los postes. Dependiendo de dónde se coloquen los músculos en los postes y de la cantidad de superficie muscular que toque el poste, los músculos pueden tener éxito en unir los postes, pero en otras ocasiones pueden tambalearse de manera incontrolable. El grupo de Raman buscó diseñar un esqueleto que enfocara y maximizara las contracciones de un músculo independientemente de dónde y cómo se colocara exactamente en un esqueleto, para generar la mayor cantidad de movimiento de una manera predecible y confiable. "La pregunta es: ¿Cómo diseñamos un esqueleto que utilice de la manera más eficiente la fuerza que genera el músculo?" Dice Raman. Los investigadores primero consideraron las múltiples direcciones en las que un músculo puede moverse naturalmente. Razonaron que si un músculo va a juntar dos postes a lo largo de una dirección específica, los postes deben estar conectados a un resorte que solo les permita moverse en esa dirección cuando se tira de ellos. "Necesitamos un dispositivo que sea muy suave y flexible en una dirección, y muy rígido en todas las demás direcciones, de modo que cuando un músculo se contrae, toda esa fuerza se convierta de manera eficiente en movimiento en una dirección", dice Raman. Flexión suave Resulta que Raman encontró muchos de estos dispositivos en el laboratorio del profesor Martin Culpepper. El grupo de Culpepper en el MIT se especializa en el diseño y la fabricación de elementos de máquinas, como actuadores en miniatura, rodamientos y otros mecanismos, que se pueden integrar en máquinas y sistemas para permitir movimientos, mediciones y controles ultraprecisos, para una amplia variedad de aplicaciones. Entre los elementos mecanizados de precisión del grupo se encuentran las flexiones, dispositivos similares a resortes, a menudo hechos de vigas paralelas, que pueden flexionarse y estirarse con precisión nanométrica. "Dependiendo de qué tan delgadas y separadas estén las vigas, puede cambiar qué tan rígido parece ser el resorte", dice Raman. Ella y Culpepper se unieron para diseñar una flexión específicamente diseñada con una configuración y rigidez para permitir que el tejido muscular se contraiga naturalmente y estire al máximo el resorte. El equipo diseñó la configuración y las dimensiones del dispositivo basándose en numerosos cálculos que llevaron a cabo para relacionar las fuerzas naturales de un músculo con la rigidez y el grado de movimiento de una flexión. La flexión que finalmente diseñaron es 1/100 de la rigidez del propio tejido muscular. El dispositivo se asemeja a una estructura en miniatura, similar a un acordeón, cuyas esquinas están fijadas a una base subyacente por un pequeño poste, que se encuentra cerca de un poste vecino que se ajusta directamente a la base. Luego, Raman envolvió una banda de músculo alrededor de los dos postes de las esquinas (el equipo moldeó las bandas a partir de fibras musculares vivas que crecieron a partir de células de ratón) y midió qué tan cerca se juntaban los postes a medida que la banda muscular se contraía. El equipo descubrió que la configuración de la flexión permitía que la banda muscular se contrajera principalmente a lo largo de la dirección entre los dos postes. Esta contracción enfocada permitió que el músculo acercara mucho más los postes, cinco veces más, en comparación con los diseños anteriores de actuadores musculares. "La flexión es un esqueleto que diseñamos para que sea muy suave y flexible en una dirección, y muy rígido en todas las demás direcciones", dice Raman. "Cuando el músculo se contrae, toda la fuerza se convierte en movimiento en esa dirección. Es un gran aumento". El equipo descubrió que podían usar el dispositivo para medir con precisión el rendimiento y la resistencia muscular. Cuando variaron la frecuencia de las contracciones musculares (por ejemplo, estimulando las bandas para que se contrajeran una vez en lugar de cuatro veces por segundo), observaron que los músculos "se cansaban" a frecuencias más altas y no generaban tanto tirón. "Observar qué tan rápido se cansan nuestros músculos y cómo podemos ejercitarlos para tener respuestas de alta resistencia, esto es lo que podemos descubrir con esta plataforma", dice Raman. Los investigadores ahora están adaptando y combinando flexiones para construir robots precisos, articulados y confiables, impulsados por músculos naturales. "Un ejemplo de un robot que estamos tratando de construir en el futuro es un robot quirúrgico que puede realizar procedimientos mínimamente invasivos dentro del cuerpo", dice Raman. "Técnicamente, los músculos pueden impulsar robots de cualquier tamaño, pero estamos particularmente entusiasmados con la fabricación de robots pequeños, ya que aquí es donde los actuadores biológicos sobresalen en términos de fuerza, eficiencia y adaptabilidad".