Biorrobótica - Enciclopedia

La biorrobótica es una ciencia interdisciplinaria que combina los campos de ingeniería biomédica, cibernética y robótica para desarrollar nuevas tecnologías que integren la biología con sistemas mecánicos para desarrollar comunicaciones más eficientes, alterar información genética y crear máquinas que imiten sistemas biológicos.

Cibernética
La cibernética se enfoca en la comunicación y el sistema de organismos vivos y máquinas que pueden aplicarse y combinarse con múltiples campos de estudio como la biología, matemáticas, ciencias de la computación, ingeniería y mucho más.

Esta disciplina se encuentra dentro de la rama de la biorrobótica debido a su campo de estudio combinado entre cuerpos biológicos y sistemas mecánicos. Estudiar estos dos sistemas permite realizar análisis avanzados sobre las funciones y procesos de cada sistema así como las interacciones entre ellos.

= Historia =
La teoría cibernética es un concepto que ha existido durante siglos, remontándose a la era de Platón, donde aplicó el término para referirse a la "gobernanza de las personas". El término "cybernetique" se encuentra en la mitad del siglo XIX utilizado por el físico André-Marie Ampère. El término "cibernética" se popularizó a finales de los años 1940 para referirse a una disciplina que tocaba, pero estaba separada, de disciplinas establecidas como ingeniería eléctrica, matemáticas y biología.

= Ciencia =
La cibernética a menudo se malentiende debido a la amplitud de disciplinas que cubre. A principios del siglo XX, se acuñó como un campo interdisciplinario de estudio que combina biología, ciencia, teoría de redes y ingeniería. Hoy en día, abarca todos los campos científicos con procesos relacionados con sistemas. El objetivo de la cibernética es analizar sistemas y procesos de cualquier sistema o sistemas en un intento por hacerlos más eficientes y efectivos.

= Aplicaciones =
La cibernética se utiliza como un término general, por lo que sus aplicaciones se extienden a todos los campos científicos relacionados con sistemas como la biología, matemáticas, ciencias de la computación, ingeniería, gestión, psicología, sociología, arte y más. La cibernética se utiliza en varios campos para descubrir principios de sistemas, adaptación de organismos, análisis de información y mucho más.

Ingeniería genética
La ingeniería genética es un campo que utiliza avances tecnológicos para modificar organismos biológicos. A través de diferentes métodos, los científicos son capaces de alterar el material genético de microorganismos, plantas y animales para proporcionarles rasgos deseables. Por ejemplo, hacer que las plantas crezcan más grandes, mejor y más rápido. La ingeniería genética se incluye en la biorrobótica porque utiliza nuevas tecnologías para alterar la biología y cambiar el ADN de un organismo para el beneficio de ellos y de la sociedad.

= Historia =
A pesar de que los humanos han modificado el material genético de animales y plantas a través de la selección artificial durante milenios (como las mutaciones genéticas que desarrollaron el teosinto en maíz y los lobos en perros), la ingeniería genética se refiere a la alteración o inserción deliberada de genes específicos en el ADN de un organismo. El primer caso exitoso de ingeniería genética ocurrió en 1973, cuando Herbert Boyer y Stanley Cohen lograron transferir un gen con resistencia a los antibióticos a una bacteria.

= Ciencia =
Hay tres técnicas principales utilizadas en la ingeniería genética: el método de plásmido, el método de vector y el método balístico.

Método de plásmido =
Esta técnica se utiliza principalmente para microorganismos como bacterias. A través de este método, se extraen moléculas de ADN denominadas plásmidos de las bacterias y se colocan en un laboratorio donde las enzimas de restricción las descomponen. A medida que las enzimas descomponen las moléculas, algunas desarrollan un borde áspero que recuerda a una escalera, lo que se considera 'pegajoso' y capaz de reconectar. Estas moléculas 'pegajosas' se insertan en otra bacteria donde se conectarán a los anillos de ADN con material genético alterado.

Método de vector =
El método de vector se considera una técnica más precisa que el método de plásmido, ya que implica la transferencia de un gen específico en lugar de una secuencia completa. En el método de vector, un gen específico de una hebra de ADN se aísla mediante enzimas de restricción en un laboratorio y se inserta en un vector. Una vez que el vector acepta el código genético, se inserta en la célula receptora donde el ADN se transferirá.

Método balístico =
El método balístico se utiliza típicamente para alterar el material genético de plantas. Este método incrusta el ADN deseado con un partícula metálica como el oro o el tungsteno en un cañón a alta velocidad. La partícula se bombardea dentro de la planta. Debido a las altas velocidades y al vacío generado durante el bombardeo, la partícula es capaz de penetrar la pared celular e insertar el nuevo ADN en la célula.

= Aplicaciones =
La ingeniería genética tiene muchos usos en los campos de la medicina, la investigación y la agricultura. En el campo de la medicina, se utilizan bacterias genéticamente modificadas para producir medicamentos como insulina, hormonas de crecimiento humano y vacunas. En la investigación, los científicos modifican genéticamente organismos para observar cambios físicos y conductuales para entender la función de genes específicos. En la agricultura, la ingeniería genética es extremadamente importante ya que los agricultores la utilizan para cultivar cultivos resistentes a herbicidas e insectos como el maíz BT.

Biónica
La biónica es un campo de ingeniería médica y una rama de la biorrobótica que consiste en sistemas eléctricos y mecánicos que imitan sistemas biológicos, como prótesis y ayudas auditivas. Es un portmanteau que combina biología y electrónica.

= Historia =
La historia de la biónica se remonta a la antigua Egipto. Se encontró un pie de prótesis de madera y cuero en un momia. Se estimó que el período del cuerpo momificado fue aproximadamente del siglo XV a.C. La biónica también puede observarse en la antigua Grecia y Roma. Se hicieron prótesis de piernas y brazos para soldados amputados. A principios del siglo XVI, un cirujano militar francés llamado Ambroise Pare se convirtió en un pionero en el campo de la biónica. Se conocía por hacer varios tipos de prótesis superior e inferior. Una de sus prótesis más famosas, Le Petit Lorrain, fue una mano mecánica operada por ganchos y resortes. Durante el siglo XIX, Alessandro Volta avanzó en la biónica. Creó las bases para la creación de audífonos con sus experimentos. Descubrió que la estimulación eléctrica podía restaurar la audición al insertar un implante eléctrico en el nervio sacular del oído de un paciente. En 1945, la Academia Nacional de Ciencias creó el Programa de Miembros Artificiales, que se centró en mejorar las prótesis debido a la gran cantidad de soldados amputados de la Segunda Guerra Mundial. Desde su creación, los materiales de prótesis, los métodos de diseño por computadora y las técnicas quirúrgicas han mejorado, creando la biónica moderna.

= Ciencia =

Prótesis

Los componentes importantes que conforman las prótesis modernas son el pilar, el colector y el sistema de suspensión. El pilar es la estructura interna de la prótesis, compuesta por varillas metálicas o compuestos de fibra de carbono. El colector es la parte de la prótesis que conecta la prótesis con la extremidad ausente. El colector consta de un revestimiento blando que proporciona un ajuste cómodo, pero también lo suficientemente ajustado para permanecer en la extremidad. El sistema de suspensión es importante para mantener la prótesis en la extremidad. El sistema de suspensión es generalmente un sistema de arnés compuesto de correas, cinturones o mangas que se utilizan para mantener la extremidad unida.

El funcionamiento de una prótesis puede diseñarse de varias maneras. La prótesis podría ser accionada por el cuerpo, accionada externamente o accionada por músculos. Las prótesis accionadas por el cuerpo consisten en cables unidos a una correa o arnés colocados en el hombro funcional de la persona, lo que permite que la persona manipule y controle la prótesis según lo considere conveniente. Las prótesis accionadas externamente consisten en motores para accionar la prótesis y botones y interruptores para controlar la prótesis. Las prótesis accionadas por músculos son nuevas y avanzadas formas de prótesis donde se colocan electrodos en los músculos por encima de la extremidad. Los electrodos detectan las contracciones musculares y envían señales eléctricas a la prótesis para que se mueva. La desventaja de este tipo de prótesis es que si los sensores no se colocan correctamente en la extremidad, los impulsos eléctricos fallarán al mover la prótesis. TrueLimb es una marca específica de prótesis que utiliza sensores mioeléctricos que permiten a una persona tener control sobre su extremidad biónica.

Ayudas auditivas

Cuatro componentes principales componen el audífono: el micrófono, el amplificador, el receptor y la batería. El micrófono toma el sonido externo, lo convierte en señales eléctricas y envía esas señales al amplificador. El amplificador aumenta el sonido y lo envía al receptor. El receptor cambia la señal eléctrica de nuevo en sonido y lo envía al oído. Las células ciliadas del oído detectan las vibraciones del sonido, las convierten en señales nerviosas y las envían al cerebro para que los sonidos se vuelvan coherentes para la persona. La batería simplemente proporciona energía al audífono.

= Aplicaciones =

Implante coclear

Los implantes cocleares son un tipo de audífono para personas sordas. Los implantes cocleares envían señales eléctricas directamente al nervio auditivo, el nervio responsable de las señales de sonido, en lugar de enviar las señales solo al conducto auditivo como los audífonos convencionales.

Audífonos anclados en el hueso
Estos audífonos también se utilizan para personas con pérdida auditiva severa. Se adjuntan a los huesos del oído medio para crear vibraciones en el cráneo y enviar esas vibraciones a la cóclea.

Piel sensora artificial
La piel sensora artificial detecta cualquier presión aplicada a ella y está destinada a personas que han perdido cualquier sensación en partes de su cuerpo, como los diabéticos con neuropatía periférica.

Ojo biónico
Un ojo biónico es un implante bioelectrónico diseñado para restaurar la visión para personas ciegas.
A pesar de que la tecnología aún está en desarrollo, ha permitido que algunas personas legalmente ciegas distingan letras nuevamente.

Replicar la retina, que contiene millones de fotorreceptores, y emular las capacidades excepcionales de lenteo y rango dinámico del ojo humano plantea desafíos significativos. La integración neuronal complica aún más el proceso. A pesar de estas dificultades, la investigación continua y el prototipado han llevado a varios logros importantes en los últimos años.

Biónica ortopédica
La biónica ortopédica consiste en extremidades biónicas avanzadas que utilizan el sistema neuromuscular de una persona para controlar la extremidad biónica. Un nuevo avance en la comprensión de la función cerebral ha llevado al desarrollo e implementación de interfaces cerebro-máquina (BMI). Los BMI permiten procesar los mensajes neurológicos entre las regiones motrices del cerebro y los músculos de una extremidad específica para iniciar el movimiento. Los BMI contribuyen enormemente a la restauración del movimiento independiente de una persona con una extremidad biónica o un exoesqueleto.

Robótica endoscópica
Estos robots pueden eliminar un polipo durante una colonoscopia.

Robots híbridos biológicos
Los robots híbridos biológicos son robots mecánicos que incorporan elementos biológicos. Por ejemplo, un dron que tiene sensores de olor que incorporan antenas tomadas de una mariposa de seda macho, que se puede utilizar para la localización de fuentes de olor.

Interacciones entre animales y robots
Las interacciones entre animales y robots es un campo de la biorrobótica que se centra en la combinación de compuestos robóticos con individuos o poblaciones animales. El dominio puede dividirse en dos ramas principales, una que se relaciona con dispositivos mecatrónicos y animales individuales, y otra con poblaciones animales. Ambas ramas tienen una variedad de aplicaciones, desde cyborgs animales que se benefician de las superiores capacidades motrices de los animales hasta estudios etológicos sobre el comportamiento colectivo de los animales. Aunque esta representación ofrece una visión globalmente precisa del dominio, algunas interacciones entre animales y robots no pueden clasificarse estrictamente en una u otra de estas ramas o a veces son una mezcla de ambas. Este es el caso de los robots etológicos que interactúan de manera uno a uno o cuando se consideran a los animales eusociales como un superorganismo que interactúa con un solo dispositivo robótico. En el último caso, se utiliza el término "superorganismo bio-híbrido" para describir la combinación de un dispositivo robótico con un superorganismo para permitir la interacción, el control y, por lo tanto, el estudio de este último superorganismo.

= Organismos bio-híbridos =

= Sociedades mixtas =
Las sociedades mixtas combinan un conjunto de animales (sociedad animal) con un conjunto de dispositivos robóticos (sociedad artificial). Se debe tener cuidado al usar la palabra "sociedad", ya que el sustantivo podría ser engañoso para la comunidad zoológica involucrada en este dominio; una palabra más precisa sería "población", que también es la utilizada en el resto de esta sección. típicamente, la población robótica está compuesta por réplicas robóticas de los individuos objetivo de los animales destinados a integrarse en la población animal. Para hacerlo, los individuos robóticos emiten estímulos naturalmente percibidos por los animales a través de diferentes canales de comunicación: señales visuales, pulsos térmicos, señales de vibración, etc. El grado de integración de los individuos robóticos en la población animal se relaciona con lo que se denomina bioaceptación y a menudo es clave para permitir un estudio conductual más avanzado de la especie objetivo. Una vez que se logran las interacciones entre la población animal y robótica mediante la establishment de canales de comunicación relevantes, las sociedades mixtas ofrecen el potencial para comportamientos robóticos adaptables impulsados por retroalimentación en tiempo real de la población animal. Al responder directamente al comportamiento animal, los robots pueden ajustar dinámicamente sus acciones para integrarse mejor en el grupo. Esta capacidad es particularmente valiosa para entender el comportamiento colectivo en poblaciones animales. Los robots adaptables pueden utilizarse para implementar modelos de roles específicos o interacciones dentro de un grupo, permitiendo la prueba de hipótesis sobre la coordinación, la toma de decisiones o la organización social. Este enfoque une técnicas experimentales y de modelado, intentando ofrecer insights sobre los mecanismos subyacentes del comportamiento colectivo.

Ver también


Referencias


Enlaces externos
El Instituto de BioRobótica, Escuela Superior Sant'Anna, Pisa, Italia
El Laboratorio de BioRobótica. Instituto de Robótica, Universidad de Carnegie Mellon *
Bioroïdes - Una cronología de la popularización de la idea (en francés)
Laboratorio de BioRobótica de Harvard, Universidad de Harvard
Laboratorio de Locomoción en Sistemas Mecánicos y Biológicos (LIMBS) de la Universidad Johns Hopkins
Laboratorio de BioRobótica en Corea Archivado el 14 de mayo de 2012 en el Wayback Machine
Laboratorio de Robótica Biomédica y BioMicrosistemas, Italia
Pequeños portátiles para células (MIT News)
Laboratorio de Robótica Inspirada en la Biología, Universidad Case Western Reserve
Laboratorio de BioRobótica y Modelado Humano - Universidad Georgia Tech
Laboratorio de BioRobótica en la Escuela Politécnica Federal de Lausana (Suiza)
Laboratorio de BioRobótica, Universidad Libre de Berlín Archivado el 22 de abril de 2013 en el Wayback Machine (Alemania)
Grupo de Investigación en Biorobotica, Instituto de Ciencia del Movimiento, CNRS/Aix-Marseille University (Francia)
Centro de Biorobotica, Universidad Técnica de Tallin (Estonia)