Engranajes impulsados por luz: Construyendo los motores más pequeños para la medicina

La tendencia de la miniaturización ha permeado una amplia gama de industrias.

En particular, se están llevando a cabo esfuerzos para crear dispositivos más pequeños, más eficientes y más potentes en diversos campos, incluidos la electrónica, la inteligencia artificial, el espacio y la medicina.

El concepto de miniaturización simplemente implica la fabricación de productos y dispositivos más pequeños. Esto resulta en productos más ligeros, más compactos y portátiles con un rendimiento mejorado y costos más bajos, lo que conduce a una mayor accesibilidad e innovación.

La miniaturización de máquinas mecánicas es en realidad clave para avanzar la nanotecnología y reducir el impacto ambiental del dispositivo. Sin embargo, es más compleja debido a la forma en que cambian las propiedades estructurales de las piezas mecánicas al reducir su escala.

En mecatrónica, los investigadores han estado trabajando en la reducción de componentes clave de máquinas, como engranajes y micromotores, durante las últimas décadas. Sin embargo, estos esfuerzos de ingeniería han encontrado limitaciones alrededor de 0,1 milímetros (mm).

Esto se debe a las complejidades relacionadas con la construcción de trenes de transmisión y sistemas de acoplamiento a una escala tan pequeña.

Pero un equipo de investigadores de la Universidad de Gotemburgo finalmente ha encontrado una alternativa para lograrlo. Publicado en Nature, el estudio titulado ‘Microscopic geared metamachines¹‘ detalla su enfoque que implica el uso de metasuperficies ópticas (OM) para impulsar localmente las diminutas máquinas.

El nuevo enfoque puede fabricarse realmente utilizando métodos de litografía estándar e integrarse sin problemas en el chip, lo que permite a los investigadores alcanzar tamaños de decenas de micrómetros (μm) con movimientos precisos a escala submicrométrica.

En su prueba de concepto, el equipo demostró la construcción de trenes de engranajes microscópicos impulsados por un solo engranaje motriz, con una metasuperficie activada por una onda de luz plana. También desarrollaron una “micromáquina de piñón y cremallera versátil”, capaz de realizar movimiento periódico, transducir movimiento rotacional y controlar diminutos espejos para la deflexión de la luz.

El proceso de fabricación en chip permite una integración sencilla. Mientras tanto, el uso de la luz como una fuente de energía fácilmente controlable permite que las metamáquinas miniaturizadas ofrezcan movimientos y control precisos, desbloqueando así nuevas posibilidades para sistemas a micro y nano escala, señaló el estudio.

Reducción de sistemas mecánicos para una miniaturización avanzada

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Desde los molinos antiguos hasta la robótica moderna y desde relojes simples hasta automóviles complejos, los engranajes están en todas partes, reflejando el avance de la tecnología humana.

Estos mecanismos con engranajes son sistemas donde los engranajes entrelazados transfieren movimiento, fuerza y potencia para realizar tareas de manera eficiente. Cruciales para la automoción, la aeroespacial, la robótica y otras aplicaciones, estos sistemas ofrecen control preciso al cambiar la velocidad y aumentar la ventaja mecánica.

Los avances actuales en engranajes se centran en miniaturizarlos a escalas micrométricas, lo que reducirá el desperdicio y mejorará la eficiencia de los materiales.

Esto también abrirá nuevas posibilidades para mecanizar y explorar una escala de longitud que hasta ahora sigue fuera de alcance. Por ejemplo, reducir el tamaño del sistema nos proporcionará una comprensión más profunda de la fricción y las interacciones superficiales, al tiempo que permitirá innovaciones como dispositivos microfluídicos de alto rendimiento y tecnologías ópticas reconfigurables.

Actualmente, los esfuerzos en este sentido se han centrado en crear micromotores individuales, que son objetos diminutos capaces de rotar. Y para alimentarlos, se han explorado mecanismos como campos eléctricos estáticos y de CA, campos de luz y campos magnéticos.

Sin embargo, el problema ha sido integrar micromotores en pequeños mecanismos con engranajes que realmente funcionen, lo que ha creado la necesidad de un enfoque escalable.

El último avance en la investigación ofrece una solución al crear diminutos engranajes que pueden ser alimentados directamente por luz, lo que permite la construcción de los motores más pequeños jamás creados para aplicaciones en chip.

Como señaló el estudio, los avances recientes en materia activa han utilizado luz no enfocada para mover diminutos vehículos mediante metasuperficies que producen fuerzas ópticas laterales a través de la dispersión direccional de la luz.

Se ha demostrado que los microvehículos con estas nanoestructuras dispuestas en un patrón paralelo se propulsan hacia adelante bajo luz linealmente polarizada. También pueden ser controlados usando luz polarizada mediante transferencia de momento angular de espín.

Además, disponer los dispersores en un patrón circular ha demostrado permitir la rotación bajo luz linealmente polarizada. Diseños aún más avanzados utilizan cuatro nanoantenas plasmónicas quirales direccionables individualmente, lo que permite un control completo de movimiento 2D aplicando luz de doble longitud de onda.

Basándose en estos avances, el equipo ha creado un mecanismo con engranajes impulsado por metasuperficies ópticas que funcionan bajo una iluminación constante.

Las metasuperficies son materiales 2D ultra delgados diseñados específicamente, compuestos de estructuras sublongitud de onda que controlan ondas electromagnéticas manipulando su fase, amplitud y polarización.

Al modelar estas ondas con precisión, las metasuperficies permiten aplicaciones como lentes, pantallas holográficas, sensores avanzados, captura de energía eficiente y sistemas de comunicación inalámbrica mejorados.

Las metasuperficies ópticas (OM) aquí ofrecen candidatos prometedores para resolver el cuello de botella de los voluminosos elementos ópticos. Proporcionan una nueva forma de manipular la luz basada en la dispersión de nanoestructuras resonantes, ofreciendo así un control eficiente de fase, polarización y emisión.

Para integrar el metamaterial óptico en los engranajes directamente en un microchip, el equipo utilizó fotolitografía estándar.

La fotolitografía es un proceso de microfabricación que utiliza luz para transferir un patrón geométrico desde una fotomáscara a un material fotosensible (fotoresist) sobre un sustrato, como una oblea de silicio. Este proceso es clave para crear los patrones intrincados que se encuentran en los semiconductores.

En cuanto al material utilizado para los engranajes, cada uno de los cuales tiene solo unas decenas de micrómetros (específicamente 0,016 μm) de diámetro, el equipo utilizó silicio.

El silicio (Si) es un elemento crucial para la tecnología moderna que sirve como el material semiconductor esencial en microchips y transistores. El equipo lo utilizó como su material principal por su compatibilidad con la fotolitografía, facilitando así la fabricación a gran escala.

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Revolucionando la medicina con máquinas diminutas

En lugar de emplear mecánica tradicional, el equipo de investigación de la Universidad de Gotemburgo utilizó luz láser para construir engranajes microscópicos que no solo pueden girar, sino también cambiar de dirección e incluso impulsar máquinas microscópicas.

El motor es tan diminuto que puede caber cómodamente dentro de un cabello. Se espera que estos avances conduzcan a herramientas médicas futuristas que serán del tamaño de células humanas.

Con este avance, los investigadores han superado la limitación de construir trenes de transmisión más pequeños que mueven micro‑motores, lo que había detenido su progreso a 0,1 mm, simplemente eliminando los trenes de transmisión por completo.

En cambio, las máquinas microscópicas se ponen en movimiento mediante luz láser. Para ello, el equipo utilizó metamateriales ópticos, pequeñas estructuras intrincadamente diseñadas que pueden capturar y controlar la luz con gran precisión y a una escala muy pequeña.

Al iluminar con láser el metamaterial, los investigadores hacen girar la rueda del engranaje, y al controlar la intensidad de la luz láser, controlan la velocidad. Además, pueden cambiar la dirección de la rueda del engranaje ajustando la polarización de la luz.

“Hemos construido un tren de engranajes en el que un engranaje impulsado por luz pone en movimiento toda la cadena. Los engranajes también pueden convertir la rotación en movimiento lineal, realizar movimientos periódicos y controlar espejos microscópicos para desviar la luz.”

– Gan Wang, primer autor del estudio e investigador en física de materia blanda en la Universidad

Esta capacidad de integrar máquinas microscópicas directamente en un chip y propulsarlas con luz abre nuevas posibilidades emocionantes.

Para comenzar, los investigadores están un paso más cerca de construir micromotores, que pueden escalarse a microsistemas complejos, ya que la luz láser es fácil de controlar y no necesita tener un contacto fijo con la máquina.

“Esta es una forma fundamentalmente nueva de pensar la mecánica a escala microscópica. Al reemplazar los acoplamientos voluminosos por acoplamientos de luz, finalmente podemos superar la barrera de tamaño.”

– Wang

Otra posibilidad es el uso de micromáquinas y nanomáquinas, que pueden manipular pequeñas partículas o incorporarse en sistemas de laboratorio en chip, permitiendo la evaluación de sistemas biológicos.

Usar la luz como una fuente de energía ampliamente disponible y biocompatible hace que el micromotor sea adecuado para manipular células, bacterias y otras materias biológicas.

El sistema utilizó un láser estándar de 1064 nm, que tiene baja absorción por el agua y los tejidos, y como resultado, disminuye cualquier daño a las muestras biológicas. Además, la luz funciona con un bajo requerimiento de potencia, solo unos pocos mW, y está dentro de los umbrales seguros para los sistemas biológicos.

Cabe destacar que la luz puede dirigirse selectivamente al engranaje motriz, lo que evita la necesidad de exponer directamente las muestras biológicas a la fuente de luz. Este mecanismo indirecto y no dañino para suministrar energía amplía las aplicaciones de las metamáquinas y micromotores impulsados por luz en entornos biomédicos.

Más específicamente, los engranajes microscópicos pueden ayudar a regular los flujos de fluidos o controlar los sistemas de administración de fármacos.

Con ruedas dentadas que miden de 16 a 20 μm, el tamaño de ciertas células humanas, los nuevos micromotores podrían usarse como bombas dentro del cuerpo humano para regular varios flujos, y también podrían funcionar como válvulas que se abren y cierran.

Además de todo, el proceso intrincado y de varios pasos de fabricación en chip utilizado aquí es compatible con la litografía de Semiconductor Complementario de Óxido Metálico (CMOS) ampliamente usada, lo que puede facilitar su integración fluida con otros componentes CMOS como sensores plasmónicos y metalentes.

Con sus engranajes impulsados por luz a escala micrométrica, el estudio promete capacidades revolucionarias en sistemas mecánicos a micro y nano escala. Sin embargo, todavía existe una limitación al depender de metasuperficies pre‑diseñadas, lo que restringe la ajustabilidad del movimiento dinámico.

Para abordar esto, los investigadores recomendaron integrar materiales de transición de fase como el dióxido de vanadio (VO2) en el diseño de la metasuperficie. Esto permitirá la reconfiguración en tiempo real de las propiedades ópticas en respuesta a estímulos externos como la luz, la temperatura o campos eléctricos.

También sugirieron materiales alternativos para metasuperficies como TiO2 para extender la longitud de onda operativa a la región de luz visible, lo que simplificará la calibración óptica y potencialmente mejorará la adaptabilidad, el rendimiento y la aplicabilidad del sistema en diversos entornos.

El salto de la miniaturización a la medicina

La miniaturización ha estado revolucionando la electrónica durante décadas. La fabricación de dispositivos más pequeños, más eficientes energéticamente y de alto rendimiento ha permitido avances en teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles y sistemas de comunicación.

Sin embargo, esto es igualmente importante en la medicina, donde las máquinas diminutas pueden permitir una mayor precisión. Tales herramientas no solo pueden mejorar el diagnóstico, sino también habilitar nuevas terapias a nivel celular y hacer la atención médica más accesible.

Por lo tanto, los investigadores están explorando la expansión de la miniaturización a la medicina.

Como vimos con los engranajes de metasuperficie de Gotemburgo, resolvieron los cuellos de botella de accionamiento al eliminar los trenes de transmisión. Otro equipo lo ha resuelto al integrar sensores directamente en sus máquinas y está allanando el camino para aplicaciones del mundo real de dispositivos diminutos inteligentes.

El equipo de investigadores de la Escuela de Circuitos Integrados y el Laboratorio Nacional de Wuhan para la Optoelectrónica, Universidad de Ciencia y Tecnología Huazhong, China, ha desarrollado máquinas magneto‑ultrasonicas diminutas para la detección y manipulación robótica inalámbrica.

Este estudio aborda el problema de la incompatibilidad entre detección y accionamiento a escalas microscópicas que obstaculiza el desarrollo de sistemas diminutos inteligentes que pueden avanzar significativamente las aplicaciones biomédicas.

Como solución, los investigadores propusieron un nuevo enfoque que incorpora sensores ultrasónicos blandos integrados (EUSS) con actuadores magnéticos. El EUSS es suave, compacto y ligero en diseño. Con un peso de solo 4,6 miligramos y dimensiones de 1,3 mm x 1,3 mm x 1,6 mm, es compatible tanto con componentes blandos como rígidos en tamaño y deformabilidad.

Además, el equipo diseñó transductores a bordo y, además de los campos magnéticos externos, utilizó comunicación ultrasónica pasiva, lo que les permitió detectar y regular de forma inalámbrica la fuerza, vibración, temperatura y viscosidad.

Al probarse en conejos y porcinos, el equipo encontró que el dispositivo ofrecía dosificación precisa de fármacos, monitoreo fisiológico y control de retroalimentación robótica.

En otro caso, investigadores de EPFL desarrollaron una Interfaz Cerebro‑Máquina Miniaturizada (MiBMI) que mejora la eficiencia y la escalabilidad de las BMIs, ofreciendo una forma prometedora de restaurar el control y la comunicación a individuos con graves discapacidades motoras.

Al ser pequeño y de bajo consumo, el sistema lo hace adecuado para aplicaciones implantables, mientras que su mínima invasividad garantiza la seguridad del paciente. Es un sistema totalmente integrado con el registro y procesamiento realizados en dos chips realmente diminutos.

“MiBMI nos permite convertir la actividad neuronal intrincada en texto legible con alta precisión y bajo consumo de energía. Este avance nos acerca a soluciones prácticas e implantables que pueden mejorar significativamente las capacidades de comunicación de individuos con graves discapacidades motoras.”

– Mahsa Shoaran, del Laboratorio de Neurotecnologías Integradas (INL) en EPFL donde se desarrolló el dispositivo

Invirtiendo en el futuro de la tecnología miniaturizada

Mientras que Medtronic, con una capitalización de mercado de 122,6 mil millones de dólares Medtronic (MDT ), cuenta con una amplia cartera de dispositivos médicos como microsensores, actuadores y dispositivos robóticos de asistencia, y Lumentum Holdings, con una capitalización de mercado de 12 mil millones de dólares Lumentum Holdings (LITE ), está avanzando en el campo óptico y fotónico. Hoy, cubriremos el potencial de inversión de SiTime Corporation (SITM ), que ilustra cómo escalan los MEMS (sistemas microelectromecánicos) y cómo se maneja comercialmente su integración en chips.

SiTime Corporation (SITM )

SiTime es una empresa de componentes analógicos y semiconductores cuyos productos se utilizan para la sincronización precisa en electrónica.

Esta semana, SiTime Corporation anunció el lanzamiento de la Plataforma Titan, una familia de resonadores MEMS que es aproximadamente cuatro veces más pequeña que las alternativas de cuarzo heredadas más pequeñas. Según la empresa, esto permitirá una “miniaturización sin precedentes” así como la integración en dispositivos pequeños alimentados por batería, impulsando la próxima ola de innovación en dispositivos médicos, wearables e IoT industrial.

Financieramente, la empresa reportó un aumento del 58 % en los ingresos netos a 69,5 millones de dólares para el segundo trimestre de 2025.

Su utilidad bruta GAAP fue de 36,1 millones de dólares, los gastos operativos GAAP fueron de 60,7 millones de dólares y la pérdida neta GAAP fue de 20,2 millones de dólares, o 0,84 $ por acción diluida. Mientras tanto, la utilidad bruta non‑GAAP fue de 40,5 millones de dólares, los gastos operativos non‑GAAP fueron de 33,3 millones de dólares y el ingreso neto non‑GAAP fue de 11,6 millones de dólares, o 0,47 $ por acción diluida.

“El impulso continuo de SiTime en nuestros mercados finales demuestra que nuestro enfoque en aplicaciones de alto rendimiento está funcionando. Los ingresos de nuestro mercado de Comunicaciones, Empresas y Centros de Datos (CED) crecieron un 137 % interanual, impulsados por la IA que generó una fuerte demanda de nuestras soluciones de sincronización de precisión.”

– CEO Rajesh Vashist

La empresa terminó el trimestre con 796,7 millones de dólares en efectivo total, equivalentes de efectivo e inversiones a corto plazo.

Últimas noticias y desarrollos de acciones de SiTime Corporation  (SITM)

Conclusión

La microingeniería está preparada para transformar nuestro enfoque mecánico de los sistemas microscópicos, y el último avance en la creación de engranajes a escala micrométrica lo hace posible. Los recién desarrollados diminutos engranajes impulsados por luz prometen revolucionar la medicina al alimentar máquinas del tamaño de células humanas.

Esto refleja la transición de la miniaturización de la electrónica a la medicina, lo que muestra que reducir la escala de la tecnología no solo se trata de eficiencia, sino también de desbloquear posibilidades completamente nuevas.

Con el tiempo, estos dispositivos seguirán haciéndose más pequeños y más capaces, allanando el camino para microsistemas autónomos que algún día podrían operar sin problemas dentro del cuerpo humano, donde regularán flujos, entregarán fármacos e incluso podrían reparar tejidos a nivel celular.

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Referencias:

<sup>1. Wang, G., Rey, M., Ciarlo, A., Shanei, M., Xiong, K., Pesce, G., Käll, M. & Volpe, G. (2025). Microscopic geared metamachines. Nature Communications, 16:7767. (Versión de registro), publicado el 20 de agosto de 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-62869-6
2. Liu, X., Tang, H., Li, N., He, L., Tian, Y., Hao, B., Xue, J., Yang, C., Sung, J. J. Y., Zhang, L., & Zang, J. (2025). Miniature magneto-ultrasonic machines for wireless robotic sensing and manipulation. Science Robotics, 10(106). (Versión de registro), publicado el 17 de septiembre de 2025. https://doi.org/10.1126/scirobotics.adu4851
3. Shaeri, M., Shin, U., Yadav, A., Caramellino, R., Rainer, G., & Shoaran, M. (2024). A 2.46‑mm² miniaturized brain–machine interface (MiBMI) enabling 31‑class brain-to-text decoding. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 59(11), 3566–3579. (Versión de registro), publicado en noviembre de 2024. https://doi.org/10.1109/JSSC.2024.3443254</sup>