Las algas vivas permiten que el suave brazo robótico acceda a la luz

El brazo del robot es en realidad lo que se conoce como actuador, es decir, un componente que convierte la energía en movimiento. Está hecho de dos capas superpuestas de hidrogel, una malla plástica suave y rica en agua, y mide 20 milímetros de largo, 5 milímetros de ancho y 1 milímetro de espesor. En su superficie crece una fina película del alga verde unicelular Chlamydomonas reinhardtii, muy utilizada en biología como organismo modelo. Fue desarrollado por un equipo dirigido por Marie-Eve Aubin-Tam, profesora de biomateriales técnicos, del Instituto Kavli de Nanociencia de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos. El primer autor del estudio, publicado en la revista Nature Communications, es Fan Jiang. El trabajo fue financiado por el Consejo Europeo de Investigación.

Cómo las algas hacen que el gel se doble

El truco se basa en un efecto secundario de la fotosíntesis. Cuando las algas unen dióxido de carbono a la luz, obtienen carbono disuelto del agua circundante y en el proceso se consumen iones de hidrógeno. Al mismo tiempo, absorben nitrato como fuente de nitrógeno y lo transforman en componentes básicos de proteínas, lo que también hace que su entorno sea más alcalino. En un cultivo puro de algas, el valor del pH aumentó de 8,1 a 10,8 en poco menos de tres horas de luz. En la oscuridad, la respiración continúa, las algas liberan dióxido de carbono y el valor del pH vuelve a bajar. Para que estas fluctuaciones fueran lo suficientemente grandes, los investigadores prescindieron de los amortiguadores habituales en el medio nutritivo y ofrecieron como nitrógeno nitrato de algas en lugar de amonio.

Las dos capas de gel reaccionan a este cambio de forma muy diferente. La capa activa contiene ácido fenilborónico, un compuesto que adquiere cargas negativas a medida que aumenta el pH. Las cargas se repelen, la red se expande y absorbe agua. En pruebas sin algas, a pH 11 esta capa pesaba cuatro veces su peso inicial, mientras que la segunda capa de poliacrilamida pura se hinchaba en la misma medida con cada valor de pH. Luego, debido a que sólo un lado se expande, la tira se curva como un bimetal en el termostato. Si el valor del pH baja, la capa activa se contrae nuevamente y la tira se dobla en la dirección opuesta.

Las algas colonizan el propio brazo robótico

Las algas no se aplicaron con pincel ni impresora. Los investigadores colocaron la tira de gel terminada en un cultivo de algas alternando fases de luz y oscuridad durante siete días. Durante este período, las células se asentaron y después de una semana formaron una biopelícula de hasta 70 micrómetros de espesor sobre la capa activa. En la capa pasiva permaneció más delgada, poco más de 40 micrómetros. Los investigadores sospechan que el ácido fenilborónico se une a moléculas que contienen azúcar en la superficie celular, facilitando la adhesión de las algas. El lado que debería moverse será el más densamente poblado.

Lo que es notable es dónde cambia el pH. Para los experimentos reales, la tira colonizada se colocó en un medio nutritivo fresco sin algas nadando libremente. El agua circundante sólo fluctuó entre pH 8,3 y 9,2. En el interior del gel, sin embargo, los valores según mediciones infrarrojas estaban entre aproximadamente 7 y 11. Las algas modifican principalmente el entorno del material y apenas el agua circundante. Los geles convencionales con pH controlado, sin embargo, deben implementarse en soluciones con un valor de pH diferente para poder moverse. Los autores creen que esto es una ventaja para aplicaciones submarinas donde no es necesario modificar el entorno.

Las pruebas demuestran que las algas realmente funcionan

Para descartar la posibilidad de que la propia luz mueva el gel, los investigadores probaron varias variantes. Una tira de gel sin algas no reaccionó en absoluto a la misma luz. Incluso un amortiguador en el agua que mantiene el valor del pH detuvo el movimiento. Cuando los investigadores agregaron el inhibidor DCMU, que bloquea un paso central de la fotosíntesis, la tira inmediatamente invirtió su dirección a pesar de la iluminación adicional y luego dejó de responder a la luz. Incluso las franjas cuyas algas fueron exterminadas durante una hora a 60 grados centígrados permanecieron rígidas. Si los devolvías a un cultivo de algas vivas, se movían nuevamente. Lo importante es el metabolismo de las células vivas, no sólo la biomasa verde.

Los robots biohíbridos que trabajan con células vivas existen desde hace mucho tiempo. Ejemplos bien conocidos utilizan células musculares, crecimiento de levaduras o metabolismo bacteriano. Esto incluye un robot con músculos vivos que nada a través de un laberinto. Los autores dicen que la mayor dificultad con estos sistemas es que las células a menudo sobreviven sólo por un corto tiempo, requieren condiciones rigurosas y el movimiento es difícil de revertir. Las algas tienen una ventaja: no necesitan azúcar como alimento, sino que obtienen su energía de la luz y del dióxido de carbono. No fueron modificados genéticamente para el experimento.

Lenta pero persistentemente

El brazo robótico no es rápido. Se necesitan horas para que la tira se doble significativamente; alcanzó una desviación importante en 18 horas. A un ritmo de tres horas de luz y 15 horas de oscuridad, oscilaba hacia adelante y hacia atrás durante diez ciclos con una amplitud casi constante de unos 300 grados, medida como el ángulo en la punta. Incluso después de 60 días en el mismo medio de cultivo, todavía respondió a la luz y las mediciones de fotosíntesis mostraron algas sanas durante seis días. Los ciclos más cortos también funcionaron: diez minutos de luz curvaron la tira hasta 30 grados, y después de 30 minutos de oscuridad volvió a estar casi vertical.

La primera reacción, sin embargo, llega sorprendentemente rápido. Después de apagar la luz, la tira comenzó a doblarse en la dirección opuesta después de unos 10 segundos y después de unos 20 segundos al encenderla. El poder sigue siendo pequeño. Después de 15 horas de iluminación, la tira presionó contra un sensor de fuerza con una fuerza máxima de 0,8 milinewtons, lo que corresponde aproximadamente a un peso de 80 miligramos. Según los autores, ya se utilizan actuadores de hidrogel con fuerzas en el rango de milinewtons para agarrar suavemente objetos pequeños y delicados.

Alicates, ganchos y flor de gel.

Para sus demostraciones, los investigadores convirtieron la tira en diferentes formas. Una pinza de cuatro dedos con una abertura de 3 centímetros cerró a la luz alrededor de una esfera metálica hueca de 9 milímetros de diámetro y 18,4 miligramos de peso y la mantuvo en su lugar mientras se elevaba. En la oscuridad volvió a abrir y liberó la esfera. Una sola tira se curvó formando un gancho y atrapó un anillo de goma de 14 milímetros de diámetro y 52,5 miligramos de peso. En ambos casos el propio levantamiento se produjo mediante un movimiento guiado desde el exterior; las algas aseguraron su cierre y apertura. Una variante con forma de flor se abría completamente con cinco horas de luz y se volvía a cerrar con diez horas de oscuridad.

Especialmente cuando se trata de objetos frágiles, las tenazas blandas tienen una ventaja sobre las tenazas metálicas rígidas, como lo demuestra un robot blando que agarra las yemas de huevo crudas sin aplastarlas. Al principio no hubo ninguna pregunta concreta, afirma Aubin-Tam, según un comunicado de la Universidad Técnica de Delft. El objetivo era explorar qué es posible cuando se incorporan células vivas a materiales funcionales. Como posibles campos de aplicación, los investigadores citan pinzas para robótica submarina, dispositivos agrícolas o cortinas que se alinean con la luz y el control de pequeños flujos de líquidos en chips de laboratorio. Aún no se ha probado nada.

Lo que la caza de algas aún no puede hacer

Antes de poder utilizarlo en la práctica, es necesario superar varios obstáculos. El brazo del robot solo funciona en agua y en un medio nutritivo especial sin nitrato, medido a 20 grados Celsius bajo una lámpara vegetal roja y azul. Un amortiguador disuelto también evita el movimiento, lo que podría convertirse en un problema en aguas naturales o en presencia de otras sustancias. El estudio no describe los efectos de las fluctuaciones de temperatura, la luz solar externa o los microorganismos competidores. Los autores suponen que la resistencia de las algas a la temperatura, la salinidad y la intensidad de la luz ayuda, pero esto aún no se ha demostrado en el caso del actuador.

Incluso las declaraciones sobre el balance medioambiental representan expectativas por el momento. Dado que las algas retienen dióxido de carbono y solo necesitan luz como fuente de energía, los autores creen que una intervención de este tipo podría reducir significativamente la huella de carbono de los robots. No midieron el consumo de energía ni el balance de CO₂ en el estudio. Por lo tanto, el valor del trabajo reside sobre todo en el principio: un material puede traducir el metabolismo de las células vivas directamente en un movimiento reversible, y lo hace durante semanas. Los datos completos de las mediciones y las descripciones de las pruebas se pueden encontrar en el estudio de libre acceso en la revista Nature Communications.

Nature Communications, actuador vivo fotosintético impulsado por luz; doi:10.1038/s41467-026-78653-z

Construido con el apoyo de inteligencia artificial.