El robot andante más pequeño realiza mediciones a microescala

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Investigadores de física e ingeniería de Cornell han creado el robot andante más pequeño hasta la fecha.

Su misión: ser lo suficientemente pequeño como para interactuar con ondas de luz visible y seguir moviéndose de forma independiente, de modo que pueda maniobrar hasta lugares específicos (en una muestra de tejido, por ejemplo) para tomar imágenes y medir fuerzas a escala de algunas de las estructuras más pequeñas del cuerpo.

“Un robot andante que es lo suficientemente pequeño como para interactuar con la luz y darle forma de manera efectiva toma la lente de un microscopio y la coloca directamente en el micromundo“, dijo Paul McEuen, profesor emérito de Ciencias Físicas John A. Newman en la Facultad de Artes y Ciencias (A&S), quien dirigió el equipo.

“Puede realizar imágenes de cerca de maneras que un microscopio normal nunca podría”.

Los científicos de Cornell ya tienen el récord mundial del robot caminante más pequeño del mundo, con 40-70 micrones.

Los nuevos robots difractivos “van a superar ese récord“, dijo Itai Cohen, profesor de física (A&S) y coautor del estudio.

“Estos robots miden entre 5 y 2 micrones. Son diminutos. Y podemos hacer que hagan lo que queramos controlando los campos magnéticos que impulsan sus movimientos”.

La robótica difractiva conecta, por primera vez, robots sin ataduras con técnicas de imagen que dependen de la difracción de la luz visible, la curvatura de una onda de luz cuando pasa a través de una abertura o alrededor de algo.

La técnica de imagen requiere una abertura de un tamaño comparable a la longitud de onda de la luz.

Para que la óptica funcione, los robots deben tener esa escala y, para que los robots alcancen los objetivos que deben fotografiar, deben poder moverse por sí solos. El equipo de Cornell ha logrado ambos objetivos.

Controlados por imanes que realizan un movimiento de pinza, los robots pueden avanzar lentamente sobre una superficie sólida.

También pueden “nadar” a través de fluidos utilizando el mismo movimiento.

La combinación de maniobrabilidad, flexibilidad y tecnología óptica subdifractiva crea un avance significativo en el campo de la robótica, dijeron los investigadores.

“Estoy realmente entusiasmado por esta convergencia de la microrrobótica y la microóptica“, dijo el coautor Francesco Monticone, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en Cornell Engineering, quien diseñó los elementos ópticos difractivos y ayudó al equipo a identificar aplicaciones.

“La miniaturización de la robótica finalmente ha llegado a un punto en el que estos sistemas mecánicos de actuación pueden interactuar con la luz y darle forma de forma activa a la escala de solo unas pocas longitudes de onda, un millón de veces más pequeñas que un metro“.

Para impulsar magnéticamente a los robots a esta escala, el equipo diseñó los robots con cientos de imanes a escala nanométrica que tienen un volumen de material igual pero dos formas diferentes: largos y delgados o cortos y rechonchos.

La idea, dijo Cohen, se originó con el físico de la Universidad de Fudan Jizhai Cui.

“Los largos y delgados necesitan un campo magnético mayor para voltearlos de apuntar en una dirección a apuntar en la otra, mientras que los cortos y rechonchos necesitan un campo más pequeño“, dijo Cohen.

“Eso significa que se puede aplicar un campo magnético grande para alinearlos todos, pero si se aplica un campo magnético más pequeño, solo se voltean los cortos y rechonchos”.

Los científicos de Cornell combinaron este principio con películas muy delgadas inventadas en la Instalación de Ciencia y Tecnología a Nanoescala de Cornell para crear los robots.

Uno de los principales desafíos de la ingeniería óptica fue determinar el enfoque más adecuado para tres tareas (afinar la luz, enfocar y generar imágenes de súper resolución) para esta plataforma específica, porque “los diferentes enfoques tienen diferentes compensaciones de rendimiento según cómo se pueda mover y cambiar de forma el microrobot“, dijo Monticone.

Hay un beneficio en poder mover mecánicamente los elementos difractores para mejorar la generación de imágenes, dijo Cohen.

El propio robot se puede utilizar como un calibrador de difracción, o se puede agregar una lente difractiva.

De esta manera, los robots pueden actuar como una extensión local de la lente del microscopio que mira hacia abajo desde arriba.

Los robots miden fuerzas utilizando el mismo movimiento de pinzamiento impulsado por imán que les permite caminar para empujar contra las estructuras.

“Estos robots son resortes muy flexibles. Entonces, cuando algo los empuja, el robot puede apretar“, dijo Cohen.

“Eso cambia el patrón de difracción y podemos medirlo bastante bien”.

Según los investigadores, la medición de fuerza y las capacidades ópticas pueden aplicarse en la investigación básica, como en las exploraciones de la estructura del ADN, o en el ámbito clínico.

“De cara al futuro, puedo imaginar enjambres de microrobots difractivos realizando tareas de microscopía y detección de súper resolución mientras caminan sobre la superficie de una muestra“, dijo Monticone.

“Creo que en realidad solo estamos arañando la superficie de lo que es posible con este nuevo paradigma que combina la ingeniería robótica y óptica a microescala”.

Fuente: Science