Materiales inteligentes y origami médico: así funcionan los nanorobots que transforman las cirugías y tratamientos dentro del organismo

Un nuevo avance en la robótica médica podría transformar la administración no invasiva de medicamentos y los procedimientos mínimamente invasivos. Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NC State University) desarrollaron nanorobots y robots blandos inspirados en el origami robótico, capaces de cambiar de forma y ser controlados a distancia mediante campos magnéticos o eléctricos.

Esta innovación, que combina materiales flexibles y estructuras reconfigurables, abre la puerta a tratamientos más precisos y menos invasivos, según un comunicado de la universidad y publicaciones recientes en Advanced Functional Materials y Science Advances.

La nueva generación de nanorobots médicos y robots blandos se basa en la integración de materiales magnetoactivos con estructuras de origami, lo que permite que dispositivos extremadamente delgados y flexibles adopten múltiples formas y funciones.

Según Science Advances, estos “metabots” se construyen a partir de láminas poliméricas con patrones de corte específicos, que pueden plegarse en cientos de configuraciones estables. Al aplicar finas películas de materiales que responden a campos magnéticos o eléctricos, los investigadores logran que estas láminas planas se transformen en robots capaces de moverse, agarrar objetos o adaptarse a diferentes entornos.

Jie Yin, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en NC State University y autor principal de uno de los estudios, explicó que al incorporar películas delgadas que responden a la electricidad o al magnetismo en láminas poliméricas simples, se consigue que estas estructuras cambien de forma de manera remota. Al conectar varias de estas láminas, se obtienen robots que pueden permanecer planos o plegarse en hasta 256 estados diferentes, lo que multiplica sus posibilidades de acción.

El funcionamiento de estos robots blandos se apoya en una técnica de impresión 3D que permite fabricar películas magnéticas de apenas 0,8 mm de grosor, compuestas por elastómeros y partículas ferromagnéticas.

Según Advanced Functional Materials, la clave reside en la alta concentración de partículas magnéticas, de hasta un 75% en peso, lo que otorga a las películas una respuesta magnética potente y flexible. Xiaomeng Fang, profesora asistente en el Wilson College of Textiles y autora principal del estudio, destacó que esta técnica permite imprimir una película delgada que se coloca directamente en las partes importantes del robot de origami sin reducir mucho su superficie.

El proceso de fabricación utiliza una combinación de curado por luz ultravioleta y calor, lo que permite consolidar geometrías complejas de forma instantánea. Una vez impresas, las películas se magnetizan en la dirección deseada y se adhieren a las estructuras de origami.

Al aplicar un campo magnético externo, estos “músculos” magnéticos actúan como accionadores, provocando movimientos de rotación, contracción o desplazamiento según la orientación del campo y la configuración del robot. El control remoto se realiza mediante imanes permanentes o bobinas Helmholtz, y la velocidad o el tipo de movimiento se ajusta variando la intensidad y frecuencia del campo magnético.

Science Advances añade que, al integrar materiales piezoeléctricos en las películas, es posible inducir vibraciones controladas mediante voltaje, ampliando aún más las opciones de movimiento y manipulación de los robots.

Uno de los desarrollos más destacados es un robot de origami diseñado para la administración no invasiva de medicamentos en el tratamiento de úlceras gástricas. Según la universidad y Advanced Functional Materials, este dispositivo utiliza un patrón Miura-Ori, que permite plegar una superficie amplia en un volumen compacto, facilitando su ingestión en una cápsula. Una vez en el estómago, el robot se despliega automáticamente y, guiado por un campo magnético externo, se posiciona sobre la úlcera para liberar el fármaco de manera localizada y controlada.

Las pruebas se realizaron en un modelo de estómago simulado, donde el robot demostró su capacidad para desplegarse, navegar hasta el sitio objetivo y mantenerse fijo mediante la interacción magnética con películas externas.

Este sistema permitió una liberación gradual del medicamento sin interferir con las actividades cotidianas del paciente. Además, la biocompatibilidad de los materiales fue validada tanto in vitro como in vivo, sin observarse citotoxicidad ni reacciones inflamatorias significativas.

Otro ejemplo es el robot “crawler”, que emplea una doble estructura Miura-Ori para desplazarse por superficies irregulares y superar obstáculos de hasta 7 mm de altura. Su velocidad y capacidad de adaptación a diferentes terrenos, incluyendo arena, se regulan mediante el campo magnético aplicado, lo que lo convierte en una plataforma versátil para aplicaciones biomédicas y de exploración.

A diferencia de los actuadores tradicionales, que suelen requerir componentes rígidos, cables o fuentes de energía externas, los robots blandos de origami desarrollados en NC State University funcionan de manera inalámbrica y mantienen una alta flexibilidad y conformidad con los tejidos biológicos. Advanced Functional Materials subraya que la utilización de materiales magnetoactivos blandos supera las limitaciones de rigidez y tamaño de tecnologías anteriores, permitiendo una integración más segura y eficiente en dispositivos médicos.

Las pruebas de biocompatibilidad mostraron que las películas magnéticas no provocan toxicidad celular ni respuestas inmunitarias adversas, lo que respalda su potencial para aplicaciones clínicas. Además, la densidad de estos materiales es solo ligeramente superior a la del papel estándar, lo que facilita su expulsión natural del cuerpo tras cumplir su función.

El potencial de los nanorobots médicos y robots blandos de origami va más allá de la medicina. Science Advances destaca que la capacidad de estos dispositivos para adoptar múltiples formas y modos de movimiento los hace aptos para tareas de manipulación delicada, exploración en entornos complejos y aplicaciones en el espacio, como paneles solares desplegables o robots de inspección.

Jie Yin, en declaraciones recogidas por la universidad, resumió el objetivo de los equipos de investigación al señalar que su meta era conectar los metamateriales y la robótica, y que los resultados obtenidos son prometedores.

Por su parte, Xiaomeng Fang enfatizó la importancia de la versatilidad, subrayando que la diversidad de estructuras de origami que pueden trabajar con estos “músculos” amplía las posibilidades de resolver problemas en campos que van desde la biomedicina hasta la exploración espacial.

El desarrollo de estos robots reconfigurables y controlables a distancia representa un avance hacia sistemas médicos más precisos, seguros y adaptables, y anticipa una nueva era de dispositivos inteligentes capaces de transformar la atención sanitaria y otras áreas tecnológicas.