Robótica
Músculos de Ultrasonido: El Futuro de la Robótica Blanda
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Construcción de Músculos Controlados por Sonido
Durante la mayor parte de la historia, la energía mecánica la proporcionaban los músculos, ya sean humanos o animales. Sólo con el advenimiento de la Revolución Industrial se pudo cosechar energía del viento (molinos de viento), del agua (molinos de agua y presas) y de la combustión (máquinas de vapor, motores de combustión).
Pero estos sistemas mecánicos siempre fueron algo inferiores al movimiento natural, requiriendo sistemas complejos y mantenimiento para lograr una libertad de movimiento relativamente pobre en comparación.
Esto sigue siendo un problema para los robots, que tienden a requerir matrices muy complejas de motores eléctricos y software avanzado para mantenerse en pie. El problema es, en general, crear un movimiento totalmente controlable y lo suficientemente flexible.
Así, como el músculo es una forma tan superior de generar movimiento, los científicos han buscado crear una variante artificial que pueda ser alimentada con electricidad. Hasta ahora, los materiales propuestos siempre han quedado cortos en rendimiento, costos o método de fabricación.
Esto podría cambiar, gracias a un nuevo diseño de músculo artificial propuesto por investigadores del ETH Zürich (Suiza), la Universidad de Münster (Alemania) y la Universidad de Nebraska‑Lincoln (EE. UU.).
Publicaron en la prestigiosa revista científica Nature1, bajo el título “Ultrasound-driven programmable artificial muscles”
Cómo Funcionan los Músculos Impulsados por Ultrasonido
Los músculos funcionan aumentando o disminuyendo la longitud del músculo, tirando del hueso al que está unido.
Los músculos artificiales hasta ahora han intentado replicar esta idea con varios tipos de materiales:
- Nanotubos de carbono
- Aleaciones con memoria de forma
- Sistemas neumáticos (aire) o hidráulicos
Estos sistemas sufrían de falta de fiabilidad, control fino, consumo de energía o costos demasiado altos.
“Los métodos químicos a menudo requieren combustibles que podrían ser tóxicos, los sistemas basados en luz sufren de penetración limitada en tejidos y posible daño térmico, y los sistemas magnéticos requieren hardware voluminoso mientras arriesgan calentamiento por efecto Joule.”
Los investigadores de este estudio tomaron una dirección nueva y diferente para controlar el músculo artificial: sonidos.
Las Ventajas del Ultrasonido
Ya sea para aplicaciones en robótica o implantes biomédicos, los ultrasonidos tienen la ventaja de ser un método de control fácil de crear y totalmente no destructivo.
Los ultrasonidos también son inalámbricos, remotos, atraviesan inofensivamente capas externas (incluidos tejidos orgánicos) y tienen alta selectividad espacial (apuntado).
También es una tecnología comúnmente usada a bajo costo, incluso en entornos clínicos.
En conjunto, los ultrasonidos son perfectos para aplicaciones biomédicas e in vivo, pero también podrían usarse en otros campos como la robótica, especialmente la llamada robótica blanda.
Los ultrasonidos son cada vez más populares entre los investigadores, que los están usando para alimentar implantes médicos de forma inalámbrica, para bioprint tejidos vivos, y para biomonitoreo.
Materiales de Microburbujas en Músculos Artificiales
En este estudio, los investigadores crearon un material que contiene una matriz de microburbujas fabricada con precisión, que, al exponerse a la resonancia adecuada del ultrasonido, hace que el material se doble.
Source: Nature
Al variar el tamaño de la matriz de microburbujas, puede cambiar a qué frecuencia de ultrasonido reacciona una sección dada del material.
Source: Nature
Hasta ahora, la fuerza generada por ultrasonido en músculo artificial ha sido demasiado débil para aplicaciones prácticas. Pero este nuevo diseño es mucho más fuerte (7.6 μN/mm2), llevando tal concepto a la vanguardia del potencial de materiales de músculo artificial.
Se creó un molde de alta resolución con arrays de micropilares, patrón en una oblea de silicio usando litografía blanda, para servir como moldes negativos de microcavidades cilíndricas.
Luego se recubrió la oblea con una fina capa de polidimetilsiloxano (PDMS) mediante spin-coating, creando el material de microburbujas deseado.
El material final formó un músculo artificial (3 cm × 0.5 cm × 80 μm), que contiene más de 10,000 microburbujas uniformes dentro de cavidades (diámetro 40 μm, profundidad 50 μm).
Creando Movimiento Controlado con Ultrasonido
Debido a que diferentes partes del material reaccionan a diferentes frecuencias, modular el ultrasonido puede usarse para crear un movimiento de ondulación precisamente controlado, por ejemplo. Los investigadores también probaron interacciones del material con el mundo real, usándolo para atrapar una larva de pez, rotar una almendra o mover una hoja de hierba. También demostró que el método era inofensivo para organismos vivos, sin calentamiento ni efectos negativos de los ultrasonidos.
Los investigadores luego probaron si el material podía usarse para adherir y mover tejidos orgánicos. Para ello, lo probaron con un corazón de cerdo. Los actuadores controlados por ultrasonido permanecieron adheridos y siguieron moviéndose, transfiriendo fuerza al tejido.
Source: Nature
También probaron el potencial del material para la liberación de fármacos, usando el ultrasonido como disparador para la liberación del material del parche de microburbujas.
Moviendo Robots In‑Vivo
Por último, la investigación creó un “mini‑stingray bot” cuyas ondulaciones pueden controlar el movimiento en un entorno líquido.
Source: Nature
Luego probaron con éxito el movimiento del robot raya en el estómago y el intestino de un cerdo.
Al liberarse, el robot raya se propulsa hacia adelante a una velocidad inicial de aproximadamente 0.8 longitudes corporales por segundo, demostrando la capacidad del sistema para moverse dentro de los órganos internos de un animal.
Source: Nature
En conjunto, estos experimentos confirmaron el potencial del material para uso in vivo de dispositivos inalámbricos y portátiles.
Aplicaciones
El estudio se centró en posibles aplicaciones biomédicas, ya que esta podría ser la aplicación más directa de esta tecnología. La robótica blanda se usa cada vez más para integrar materiales utilizados en medicina, por ejemplo, entregando a el órgano correcto fármacos anticancerígenos u otros tratamientos.
Este método también puede ampliarse a piezas más grandes, al menos hasta la escala de centímetros, y con muchos grados de libertad de movimiento.
Así, más adelante, dichos músculos artificiales podrían usarse para robótica, electrónica flexible, tecnologías portátiles, prótesis, instrumentación biomédica, etc.
- Parece que las cavidades trapezoidales convergentes podrían generar velocidades de flujo aproximadamente 3 veces más fuertes que las formas divergentes. Por lo tanto, la optimización geométrica y de densidad podría crear actuadores con perfiles de deformación a medida.
- Una fuente de sonido confocal podría lograr una deformación más fuerte y una focalización más precisa de una parte específica del músculo artificial.
- Los hidrogeles y polímeros biodegradables también podrían usarse para más aplicaciones biomédicas.
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| Sector de Aplicación | Ejemplo de Caso de Uso | Potencial de Adopción |
|---|---|---|
| Robótica Blanda | Pinzas flexibles y robots caminantes | Alto |
| Implantes Biomédicos | Actuación inalámbrica para tejidos internos | Muy Alto |
| Entrega de Fármacos | Mecanismos de liberación activados por ultrasonido | Alto |
| Dispositivos Portátiles | Parches inteligentes y sistemas de retroalimentación háptica | Medio |
| Prótesis | Integración de músculo artificial para movimiento realista | Alto |
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Philips es una conocida marca de electrónica de consumo pequeña (afeitadoras, cepillos de dientes eléctricos), igualmente activa en salud. Por ejemplo, fue la número 1 en presentación de patentes MedTech en Europa para 2022 y se ubicó entre las 3 principales los años siguientes.
Está activa en productos médicos conectados, desde wearables hasta imágenes, respiradores y robots médicos.
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Source: Philips
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Source: Philips
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Estudio Referenciado
1. Shi, Z., Zhang, Z., Schnermann, J. et al. Ultrasound-driven programmable artificial muscles. Nature 646, 1096–1104 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09650-3 en español.
