Una pequeña batería diseñada por ingenieros del MIT podría permitir el despliegue de robots autónomos del tamaño de una célula para la administración de medicamentos dentro del cuerpo humano, así como otras aplicaciones como la localización de fugas en gasoductos.

La nueva batería, que mide 0,1 milímetros de largo y 0,002 milímetros de grosor (aproximadamente el grosor de un cabello humano), puede capturar oxígeno del aire y usarlo para oxidar el zinc, creando una corriente con un potencial de hasta 1 voltio. Eso es suficiente para alimentar un pequeño circuito, sensor o actuador, demostraron los investigadores.

“Creemos que esto será muy beneficioso para la robótica”, afirma Michael Strano, profesor de Ingeniería Química Carbon P. Dubbs en el MIT y autor principal del estudio. “Estamos incorporando funciones robóticas a la batería y comenzando a unir estos componentes para formar dispositivos”.

Ge Zhang, PhD ´22, y Sungyun Yang, estudiante de posgrado del MIT, son los autores principales del artículo, que aparece en Science Robotics .

Funciona con pilas

Durante varios años, el laboratorio de Strano ha estado trabajando en robots diminutos que pueden detectar y responder a estímulos de su entorno. Uno de los principales desafíos en el desarrollo de robots tan pequeños es asegurarse de que tengan suficiente energía.

Otros investigadores han demostrado que pueden alimentar dispositivos a microescala utilizando energía solar, pero la limitación de ese enfoque es que los robots deben tener un láser u otra fuente de luz apuntando hacia ellos en todo momento. Estos dispositivos se conocen como "marionetas" porque están controlados por una fuente de energía externa. Colocar una fuente de energía, como una batería, dentro de estos diminutos dispositivos podría liberarlos para moverse mucho más lejos.

“Los sistemas de marionetas no necesitan realmente una batería porque obtienen toda la energía que necesitan del exterior”, dice Strano. “Pero si quieres que un robot pequeño pueda entrar en espacios a los que no podrías acceder de otra manera, necesita tener un mayor nivel de autonomía. Una batería es esencial para algo que no va a estar atado al mundo exterior”.

Para crear robots que pudieran volverse más autónomos, el laboratorio de Strano decidió utilizar un tipo de batería conocida como batería de zinc-aire. Estas baterías, que tienen una vida útil más larga que muchos otros tipos de baterías debido a su alta densidad energética, se utilizan a menudo en audífonos.

La batería que diseñaron consta de un electrodo de zinc conectado a un electrodo de platino, incrustado en una tira de un polímero llamado SU-8, que se utiliza habitualmente en microelectrónica. Cuando estos electrodos interactúan con las moléculas de oxígeno del aire, el zinc se oxida y libera electrones que fluyen hacia el electrodo de platino, creando una corriente.

En este estudio, los investigadores demostraron que esta batería podría proporcionar suficiente energía para alimentar un actuador, en este caso, un brazo robótico que se puede elevar y bajar. La batería también podría alimentar un memristor, un componente eléctrico que puede almacenar recuerdos de eventos al cambiar su resistencia eléctrica, y un circuito de reloj, que permite a los dispositivos robóticos realizar un seguimiento del tiempo.

La batería también proporciona suficiente energía para hacer funcionar dos tipos diferentes de sensores que cambian su resistencia eléctrica cuando entran en contacto con sustancias químicas del entorno. Uno de los sensores está hecho de disulfuro de molibdeno de espesor atómico y el otro de nanotubos de carbono.

“Estamos creando los componentes básicos para desarrollar funciones a nivel celular”, afirma Strano.

Enjambres robóticos

En este estudio, los investigadores utilizaron un cable para conectar su batería a un dispositivo externo, pero en trabajos futuros planean construir robots en los que la batería esté incorporada a un dispositivo.

“Esto va a ser el núcleo de muchos de nuestros esfuerzos en el campo de la robótica”, afirma Strano. “Se puede construir un robot en torno a una fuente de energía, de la misma manera que se puede construir un coche eléctrico en torno a una batería”.

Uno de esos esfuerzos gira en torno al diseño de pequeños robots que podrían inyectarse en el cuerpo humano, donde podrían buscar un sitio objetivo y luego liberar un fármaco como la insulina. Para su uso en el cuerpo humano, los investigadores prevén que los dispositivos estarían hechos de materiales biocompatibles que se desintegrarían una vez que ya no fueran necesarios.

Los investigadores también están trabajando para aumentar el voltaje de la batería, lo que podría permitir aplicaciones adicionales.

La investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., el Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias y una beca de ingeniería de MathWorks.

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