Newsletter DPT Nro. 85
ISSN 2618-236X
Junio / 2023
NOTICIAS CIENTIFICAS
NOTICIAS CIENTIFICAS INTERNACIONALES
Innovaciones en robótica
Propician crecientes aplicaciones biomédicas
Esta reseña comprende cinco artículos referidos a recientes innovaciones en robótica biomédica. El primer artículo (1) trata sobre el primer trasplante de pulmón completamente robótico sin abrir el tórax. El segundo (2) trata sobre músculos artificiales biodegradables para una robótica sustentable. El tercero (3) se refiere al desarrollo de piel electrónica inteligente para la propiocepción corporal y espacial en robótica blanda. En el cuarto (4) se presenta un sistema que permite a robots de laboratorio conducir 10.000 experimentos científicos por día. El quinto (5) trata sobre un sistema robótico con extremidades múltiples
1.- Primer artículo: Realizan el primer trasplante de pulmón completamente robótico sin abrir el tórax (1)
El trasplante pulmonar consiste en sustituir pulmones enfermos por otros sanos. En general, se realiza cuando la enfermedad comporta una insuficiencia respiratoria crónica grave y progresiva. Los trasplantes pulmonares se iniciaron en California (EE.UU.) en 1981. En el Hospital Universitario Vall d’Hebron, en Cataluña (España), se han realizado -desde el inicio del programa- más de 1.556 trasplantes pulmonares, tanto en niños como en adultos.
En dicho hospital se trasplantó recientemente un pulmón, por primera vez, con una técnica de cirugía robótica mínimamente invasiva. Otro hito de esta intervención reside en haber probado una nueva vía de acceso para extraer los pulmones enfermos e introducir los sanos. Esta tiene lugar en la parte inferior del esternón, mediante una incisión de 8 centímetros, justo por encima del diafragma. De esta manera se evita realizar una gran apertura, con separación de costillas y apertura del tórax; un abordaje agresivo con un postoperatorio delicado, que anteriormente era la única opción disponible.
Esta operación pionera se realizó -gracias a la confluencia multidisciplinaria de profesionales- en un varón de 65 años que padecía una fibrosis pulmonar. En este caso, una cirugía tan agresiva como la convencional implicaba diversos riesgos. La nueva vía de acceso quirúrgico podría propiciar un cambio de paradigma para mejorar la vida de miles de pacientes.
Respecto de la utilización de cirugía robótica para el trasplante, solo existe un precedente en el Hospital Cedars-Sinai de Los Angeles (EEUU.) en 2021. En ese caso, se utilizó por primera vez la cirugía robótica en una parte del trasplante, en el momento de suturar el pulmón nuevo a la vía aérea y a los grandes vasos del receptor, pero el resto de la operación se realizó de manera tradicional y la introducción del pulmón se hizo, como siempre, entre las costillas.
“En Vall d’Hebron hacía tiempo que pensábamos en cómo podíamos hacer que esta cirugía fuera menos invasiva, pero no se nos ocurría por dónde podíamos retirar el pulmón enfermo e introducir el nuevo”, explica el jefe del Servicio. Finalmente, fue Iñigo Royo, especialista del Servicio de Cirugía Torácica y Trasplante Pulmonar, quien “pensó en explorar una vía de acceso que se utiliza para operar el cáncer de pulmón y el timus: la cirugía subxifoide”. Así, los cirujanos hicieron manualmente una incisión de 8 centímetros por debajo de la xifoides y por encima del diafragma, y en el orificio abierto colocaron un separador de partes blandas. A partir de aquí, la operación fue totalmente robótica: se introdujeron 4 brazos del robot Da Vinci por 4 pequeños orificios (de 8 a 12 milímetros de ancho) efectuados en diferentes partes del tórax.
El robot Da Vinci permite un trabajo de gran precisión, ya que ofrece una amplia visibilidad y amplios grados de libertad en los movimientos. Se pueden realizar incisiones mínimas, menos invasivas y precisas, sin temblor de manos, movimientos involuntarios ni cansancio postural. El hecho de haber trabajado con una nueva técnica requirió una adaptación de los distintos profesionales y técnicos –cirujanos, anestesiólogos, perfusionistas y personal de enfermería- con base en sus experiencias en trasplantes tradicionales y en cirugía torácica robótica; en el trabajo en equipo y el consenso entre profesionales”.
2.- Segundo artículo: Músculos artificiales biodegradables para robots blandos sustentables (2.1.) (2.2.)
Dado que la robótica blanda promete imponerse en aplicaciones biomédicas que requieren flexibilidad, adaptabilidad y sutileza, es fundamental que los actuadores blandos se elaboren con materiales bioderivados y biodegradables.
En el artículo aquí reseñado -de investigadores de la Universidad de Colorado Boulder- se presentan sistemas de materiales compatibles para la creación de actuadores blandos de alto rendimiento totalmente biodegradables. Se demuestra que un tipo de actuador robótico (o “músculo artificial”) biodegradable funciona de forma fiable hasta campos eléctricos elevados de 200 V/μm, muestra un rendimiento comparable al de sus contrapartes no biodegradables y permanece activo a más de 100 000 ciclos de activación. Además, se construyó una pinza robótica basada en actuadores blandos biodegradables que es fácilmente compatible con diversos brazos robóticos disponibles en el mercado.
El equipo creó por primera vez, en 2018, un prototipo de músculo artificial conocido como “actuador electrostático autorreparable amplificado hidráulicamente” (Hydraulically Amplified Self-Healing ELectrostatic, HASEL). En el nuevo estudio, describieron el uso de materiales sostenibles para crear el músculo artificial, sin comprometer su rendimiento. El prototipo pudo disolverse naturalmente en tierra al cabo de unos meses.
En el nuevo actuador HASEL, los actuadores fueron diseñados para que los robots sean “lo suficientemente blandos, flexibles y sutiles para rebotar en paredes o introducirse en espacios reducidos”, según el comunicado oficial. En el futuro, el músculo artificial podría programarse para mover brazos y piernas robóticos.
Se concluye que la sostenibilidad del nuevo sistema de materiales abre interesantes vías para aplicaciones que requieren componentes diseñados para un uso único o de corto plazo, por ejemplo, en aplicaciones biomédicas o en la manipulación de alimentos”
3.- Tercer artículo: Piel electrónica inteligente para la propiocepción en robótica blanda (3.1.) (3.2.) (3.3.)
La “propiocepción” es la capacidad que tiene nuestro cerebro para conocer –dinámicamente- la posición exacta de las distintas partes de nuestro cuerpo. El sistema propioceptivo procesa las señales -provenientes de articulaciones y músculos- en cada momento, e interpreta si es necesario reaccionar activando determinados grupos musculares para, por ejemplo, prevenir y evitar una caída.
Para un robot 3D, diversas tareas requieren conocer, y adecuar al entorno, la posición de los distintos componentes. Ello representa un desafío para la robótica blanda, ya que debido a los infinitos grados de libertad derivados de sus características continuas, se pierden detalles como, por ejemplo, la deformación local e información de superficie.
En el artículo aquí reseñado, investigadores del grupo SMART de la Universidad de Edimburgo (Escocia), liderados por Yunjie Yang y Francesco Giorgio-Serchi, informan que han desarrollado la primera piel electrónica –inteligente, capacitiva y estirable- que proporciona a los robots blandos capacidad de propiocepción de su propio movimiento corporal-espacial y de respuesta a estímulos externos similares a los seres vivos. Se demuestra que la piel electrónica propuesta puede capturar una amplia gama de deformaciones 3D en todo el cuerpo blando a través de mediciones de capacitancia en múltiples posiciones. Como si se tratara de un sistema nervioso, “con los diferentes conjuntos de electrodos localizados en la superficie del robot, podemos capturar la información de movimiento y deformación en diferentes posiciones”, explica el doctor Yang. “Tenemos microcanales formados por metales líquidos, que conducen la respuesta de los diferentes electrodos sensores a un procesador que controla la recolección de señales procedentes de la piel electrónica”, prosigue. Es allí donde “se codifica la información procedente de la piel electrónica y se extrae aquella útil y relacionada con el movimiento del cuerpo, que se transmitirá a un ordenador”, asegura Yang, que detalla que “la percepción 3D de los movimientos se obtiene mediante aprendizaje automático”.
Este avance abre un abanico de métodos de control de movimientos en “robótica blanda” con diversas aplicaciones potenciales en el futuro; por ejemplo, aportaría a un robot quirúrgico un control más preciso de su herramental blando.
4.- Cuarto artículo: BacterAI: Un nuevo sistema permite a robots ejecutar 10.000 experimentos por día (4.1.) (4.2) (4.3.)
A través de la “revolución del microbioma” se han identificado miles de especies de bacterias que califican para una investigación, pero la mayoría de dichas especies permanecerán sin estudiar debido a la carencia de datos básicos. La inteligencia artificial (IA) y la automatización podrían ofrecer una forma de llevar a cabo esos estudios, reemplazando a los investigadores humanos por algoritmos que extractan la literatura científica pertinente y diseñan nuevos experimentos. Sin embargo, se ha realizado poca o ninguna investigación sobre aproximadamente el 90% de las bacterias, y la cantidad de tiempo y recursos necesarios para obtener información básica sobre ellas, utilizando métodos convencionales, es abrumadora.
En el artículo aquí reseñado un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y de la Universidad de Michigan (UM), liderado por el profesor Paul Jensen, que tuvo como objetivo determinar los aminoácidos requeridos para el crecimiento de microbios bucales beneficiosos, informa que desarrollaron un sistema de IA -denominado BacterAI- que permite que los robots realicen experimentos autónomos, hasta 10 000 por día. Ello impulsa, potencialmente, un cambio sustancial en las posibilidades de descubrimiento en áreas que van desde la biomedicina hasta la agricultura y las ciencias ambientales. “BacterAI aprende convirtiendo preguntas de investigación biológica en juegos simples que ejecuta con robots de laboratorio. Luego, el agente compendia sus hallazgos en reglas lógicas que pueden ser interpretadas por investigadores humanos”.
Los investigadores describen, asimismo, cómo BacterAI mapeó el metabolismo de BacterAI y pudo descubrir los requerimientos de aminoácidos para el crecimiento de dos estreptococos orales: Streptococcus gordonii y Streptococcus sanguinis; dos bacterias asociadas con la salud bucal, sobre las cuales no se disponía de información básica. “Comprender cómo crecen las bacterias es el primer paso hacia la reingeniería de nuestro microbioma”, dijo Jensen. Sin embargo, los 20 aminoácidos componen un complejo combinatorio, con más de un millón de combinaciones posibles. A diferencia de los enfoques convencionales, BacterAI crea su propio conjunto de datos a través de una serie de experimentos. Para encontrar la fórmula adecuada de aminoácidos para cada especie, BacterAI probó –mediante aprendizaje automático profundo- cientos de combinaciones por día, perfeccionando su enfoque y cambiando las combinaciones cada mañana, según los resultados del día anterior. Al analizar los resultados de ensayos anteriores, predice y selecciona qué nuevos experimentos podrían aportar la mayor información. Usando este enfoque, el sistema de IA pudo descubrir las diferencias en los requerimientos de los dos microorganismos estudiados: “Aprender de una pizarra en blanco evita sesgar los resultados con conocimiento previo”. “La capacidad de BacterAI para aprender únicamente a partir de sus propios datos permite el estudio de los rincones desconocidos de la microbiología”. Pero las aplicaciones van más allá de la microbiología. Los investigadores de cualquier campo pueden plantear preguntas como acertijos para que la IA los resuelva a través de este tipo de prueba y error. El sistema BacterAI, podría acelerar significativamente el ritmo del descubrimiento en una variedad de campos como la medicina, la agricultura y las ciencias ambientales. El estudio fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud (NIH) con el apoyo de NVIDIA.
5.- Quinto artículo: Extremidades robóticas plurales que operan cooperativamente (5)
Trascurrido ya medio siglo desde que se introdujo el concepto de “ciborg”, los ciborgs digitales, habilitados por la difusión de la robótica portátil y la inteligencia artificial (IA), son hoy el foco de diversas investigaciones.
La empresa japonesa de robótica Jizai Arms desarrolló un sistema de extremidades robóticas múltiples, con forma de araña, controlable y operable por el usuario. Dichas extremidades pueden conectarse, desconectarse o incluso reemplazarse por completo para ejecutar diversas tareas. El sistema ofrecido está integrado por una unidad base portátil con seis terminales y brazos robóticos desmontables. El objetivo principal de Jizai Arms es garantizar que los seres humanos puedan actuar -natural y cómodamente- con robots.
La gran flexibilidad de los brazos robóticos permite realizar una amplia gama de tareas en distintos entornos; desde un almacén hasta el quirófano de un hospital. El usuario puede controlar y operar fácilmente las extremidades robóticas con sus propios movimientos, con la sensación de que son una extensión natural de su propio cuerpo. En la actualidad, el mayor impacto del producto es la mejora de la calidad de vida de las personas carentes de ciertas extremidades. El uso de estas prótesis les permitiría realizar tareas que, de otro modo, les resultarían imposibles.
Referencias
(1) “Realizan el primer trasplante de pulmón completamente robótico sin abrir el tórax: El Hospital Vall D’Hebron ha llevado a cabo esta intervención pionera en un paciente de 65 años que sufría una enfermedad respiratoria. Los órganos han sido sustituidos por la parte inferior del esternón, lo que permite realizar una incisión tres veces más pequeña de la habitual, que tiene lugar a través del tórax” Boletín SINC. Medicina Interna. 19/4/2023 1
(2.1.) Fuente primaria: “Biodegradable electrohydraulic actuators for sustainable soft robots” Ellen H. Rumley, David Preninger, Alona Shagan Shomron, Philipp Rothemund, Florian Hartmann, Melanie Baumgartner, Nicholas Kellaris, Andreas Stojanovic, Zachary Yoder, Benjamin Karrer, Christoph Keplinger, And Martin Kaltenbrunner. Science Advances. Vol 9, Issue 12. 22 Mar 2023. Open Access. Research Article. Materials Science. DOI: 10.1126/sciadv.adf5551
(2.2.) Fuente secundaria: “’One-of-a-kind’ project: Sustainable artificial muscles could enable life-like movement in robots” By Mrigakshi Dixit. Interesting Engineering. Innovation. Created: Apr 24, 2023.
(3.1.) Fuente primaria: “Stretchable e-skin and transformer enable high-resolution morphological reconstruction for soft robots” Delin Hu, Francesco Giorgio-Serchi, Shiming Zhang & Yunjie Yang. Nature Machine Intelligence volume 5, pp. 261–272 (2023). Article. Published: 23 February 2023. DOI: 10.1038/s42256-023-00622-8
(3.2.) Nota informativa de la University of Edinburgh: “Flexible e-skin to spur rise of soft machines that feel: A team of scientists has developed electronic skin that could pave the way for soft, flexible robotic devices to assist with surgical procedures or aid people’s mobility”. The University of Edinburgh. News.
(3.3.) Video: Crean la primera “piel electrónica” para que los robots sientan como humanos” Agencia EFE. 29/04/2023
(4.1.) Fuente primaria: “BacterAI maps microbial metabolism without prior knowledge” Article. Adam C. Dama, Kevin S. Kim, Danielle M. Leyva, Annamarie P. Lunkes, Noah S. Schmid, Kenan Jijakli & Paul A. Jensen. Nature Microbiology (2023). Published: 04 May 2023. DOI: 10.1038/s41564-023-01376-0
(4.2.) Fuente secundaria 1: “BacterAI: New AI system enables robots to conduct 10,000 scientific experiments a day: Artificial intelligence-powered BacterAI accurately predicts the necessary amino acid combinations for growth 90% of the time” By Kavita Verma. Interesting Engineering. Science. May 05, 2023
(4.3.) Fuente secundaria 2: “AI Platform Discovers Microbial Nutrient Requirements with No Prior Knowledge” Artificial IntelligenceMicrobiologyNews. GEN. Genetc Engineering & Biotecchnology News. May 9, 2023
(5) “Spider-like robotic AI arms can be attached to and controlled by humans: They were created to revolutionize how humans interact with robotics and AI” By Loukia Papadopoulos. Interesting Engineering. Innovation. May 07, 2023
