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lunes | 21 abril | 2025
En la frontera entre la biología y la ingeniería, el campo emergente de la bio-robótica busca fusionar componentes biológicos y sintéticos para crear sistemas híbridos con capacidades únicas.
Entre los organismos que han capturado la atención de los investigadores del la agencia Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), se encuentra la humilde mosca de la fruta (Drosophila melanogaster), un modelo biológico clave en la investigación científica durante décadas. Su simplicidad genética, corto ciclo de vida y un cerebro relativamente pequeño, pero notablemente complejo, la convierten en un sujeto ideal para desentrañar los misterios del control neuronal y el comportamiento.
Para transformar las moscas de la fruta en plataformas micro-robóticas controlables, los científicos de DARPA han recurrido a una variedad de técnicas sofisticadas diseñadas para manipular su conducta. Entre estas, el control a través de estímulos visuales, la manipulación olfativa y la aplicación de la optogenética se han destacado como métodos particularmente efectivos.
La subordinación a través de estímulos visuales aprovecha la respuesta optomotora natural de las moscas a los estímulos visuales en movimiento para dirigir su vuelo. Este método se basa en la observación de que las moscas tienden a girar en la dirección del movimiento percibido en su campo visual.
Los investigadores han utilizado patrones visuales como pinwheels rotatorios de rayas azules y negras, proyectados sobre las moscas, para inducir giros y controlar su dirección. La capacidad de guiar a las moscas a través de estos estímulos con una alta tasa de éxito, alcanzando hasta un 94 por ciento de seguimiento de las órdenes de dirección, demuestra la viabilidad de esta plataforma bio-robótica.
Este enfoque se beneficia de ser un comportamiento reflejo bien estudiado en las moscas, lo que permite un manejo relativamente sencillo y preciso de su movimiento sin necesidad de intervención invasiva. La respuesta optomotora es un mecanismo sensorial fundamental en las moscas, lo que lo convierte en una vía eficaz para influir en sus pautas de locomoción.
La manipulación olfativa representa otra estrategia para guiar el movimiento de las moscas, utilizando su aguda sensibilidad a los olores. Se pueden crear gradientes de olores, incluso alterados optogenéticamente, para dirigir a las moscas hacia ubicaciones específicas.
Las moscas poseen una notable capacidad para responder a una amplia gama de olores, un sentido que normalmente utilizan para localizar fuentes de alimento y parejas. Esta sensibilidad olfativa y su práctica de osmotropotaxis, que implica girar en respuesta a un gradiente de olor, ofrecen otra forma de control remoto.
Este método podría ser particularmente útil en aplicaciones donde se requiera la detección de sustancias específicas. El sistema olfativo es crucial para las moscas en la búsqueda de recursos esenciales, lo que lo convierte en un canal efectivo para su control.
La optogenética ha surgido como una herramienta poderosa para lograr, mediante modificación genética de las moscas que ciertas neuronas de su sistema nervioso expresen proteínas sensibles a la luz.
Al aplicar pulsos de luz dirigidos a estas neuronas, los investigadores pueden activar o inhibir su actividad. La optogenética proporciona un nivel de dominio neuronal muy fino, permitiendo manipulaciones con alta precisión temporal y espacial. Al dirigirse a neuronas específicas involucradas en la función motora, se pueden orquestar movimientos muy definidos en las moscas, casi robóticos.
La aplicación efectiva de estas técnicas se basa en estudios detallados del sistema nervioso de la mosca de la fruta, como el conectoma. Un mapa exhaustivo de todas las conexiones neuronales en su cerebro, fundamental para comprender los circuitos que subyacen al comportamiento y para diseñar estrategias de control efectivas. Un conocimiento profundo de la neuroanatomía y la neurofisiología de la mosca de la fruta es esencial para manipular su proceder de forma predecible.
La demostración de que las moscas pueden ser manipuladas para trazar patrones complejos, similar a "escribir texto", resalta la precisión y la potencial complejidad de las tareas que pueden realizar. Esta capacidad sugiere que las moscas controladas podrían utilizarse para tareas detalladas como el mapeo o la inspección.
La investigación también ha explorado el control de enjambres de moscas, coordinando el movimiento de múltiples individuos para realizar trabajos colectivos. La coordinación de múltiples moscas abre la puerta a aplicaciones que requieren inteligencia de enjambre, como la vigilancia de áreas extensas o la realización de tareas complejas que requieren la colaboración de varios agentes.
Un elemento crucial en el avance de esta investigación ha sido el desarrollo de modelos de simulación avanzados, como NeuroMechFly v2, un modelo digital de la mosca de la fruta que incorpora visión, olfato y retroalimentación motora.
Esta réplica digital permite a los investigadores simular y probar diferentes estrategias en un entorno virtual antes de aplicarlas a moscas reales. Son herramientas valiosas para acelerar la investigación y reducir la necesidad de experimentación con animales vivos.
Finalmente, se ha demostrado la capacidad de las moscas para transportar cargas pequeñas, casi equivalentes a su propio peso corporal, durante distancias significativas. Esta aptitud abre la posibilidad de utilizarlas para la administración de fármacos o para el transporte de pequeños sensores. Esta funcionalidad amplía el rango de sus aplicaciones potenciales como micro-robots.
La capacidad de controlar moscas de la fruta abre un abanico de posibilidades en diversos campos, donde su pequeño tamaño, agilidad y capacidad de respuesta a estímulos podrían ofrecer soluciones innovadoras.
En el campo de la medicina, las moscas podrían utilizarse para la dosificación de fármacos dirigidos a áreas específicas del cuerpo, dada su capacidad de navegación a través de micro-entornos.
También podrían contribuir al desarrollo de herramientas de diagnóstico a microescala, equipadas con sensores para detectar enfermedades o condiciones específicas. Además, el estudio de su sistema de locomoción podría servir de inspiración para el diseño de micro-robots médicos capaces de navegar por el cuerpo humano para realizar cirugías mínimamente invasivas.
En la agricultura, podrían desempeñar un papel crucial en la polinización de cultivos en entornos controlados como invernaderos o agricultura vertical, donde los polinizadores naturales pueden tener dificultades.
También podrían implementarse en el control de plagas, dirigiendo a las moscas para liberar agentes biológicos en áreas específicas. Asimismo, podrían utilizarse para el monitoreo de la salud de los cultivos y la detección temprana de enfermedades o infestaciones de plagas. Las moscas controladas podrían ofrecer una solución sostenible y precisa para tareas agrícolas importantes, reduciendo la dependencia de métodos tradicionales y potencialmente dañinos.
En el ámbito del medio ambiente, las moscas equipadas con bio-sensores podrían utilizarse para la detección de contaminantes en el aire o el agua. Su tamaño pequeño y agilidad las harían valiosas en misiones de búsqueda y rescate en espacios reducidos o peligrosos, donde los robots más grandes tendrían dificultades para acceder.
También podrían contribuir al observación de la biodiversidad y el comportamiento animal en entornos naturales sin causar perturbaciones significativas. El tamaño y la capacidad de movimiento de las moscas controladas las hacen adecuadas para tareas de vigilancia y exploración en entornos inaccesibles o peligrosos.
Finalmente, en el campo de la robótica, este estudio puede servir como inspiración para el diseño y desarrollo de micro-robots autónomos con capacidades de movimiento y navegación complejas. Las moscas proporcionan información valiosa sobre los principios de control biológico que podrían aplicarse a sistemas robóticos.
Además, su capacidad de vuelo y aterrizaje podría utilizarse para el desarrollo de nuevas generaciones de drones en miniatura y proporcionar principios de diseño y control innovadores para la próxima generación de robots a microescala.
La manipulación de seres vivos plantea importantes consideraciones éticas. Una de las principales preocupaciones se centra el potencial para usos no deseados de esta tecnología. El estudio señala la preocupación que existe por un posible uso en vigilancia encubierta o aplicaciones militares.
Como con cualquier tecnología poderosa, subyace el riesgo de que el control de insectos pueda ser utilizado indebidamente. Es crucial establecer regulaciones y directrices claras para prevenir su uso no ético. La transparencia y el debate público son necesarios para garantizar que esta tecnología se desarrolle y se utilice de manera responsable.
La comunidad científica también reconoce la necesidad de un debate ético y regulaciones para guiar el desarrollo de la bio-robótica, asegurando que se considere el impacto en los insectos, el medio ambiente y la sociedad en general.
