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La portada de la edición 57ª de la revista Science Robotics, una de las más importantes en este campo de la ciencia, fue protagonizada por un robot construido por el Laboratorio de Bio-robótica de la Escuela Federal Politécnica de Lausana (EPFL), en Suiza, del que formaron parte dos ingenieros colombianos. Se trata de Laura Páez Coy y Kamilo Melo, quienes llevan siete años en el país europeo dedicando su vida a resolver, desde la robótica, una vieja pregunta que aún no tiene respuesta: desde dónde se genera el movimiento de los vertebrados. Si se produce por el control que tiene la espina vertebral sobre el cuerpo o si se debe a la información sensorial que procesa el sistema nervioso.
El objetivo de AgnathaX, el robot construido por los colombianos, es estudiar cómo el sistema nervioso procesa la información sensorial para producir un tipo determinado de movimiento. Para eso, dice Melo, era necesario tener claro el debate que se ha generado en torno al movimiento de los vertebrados. “Hay unos científicos que señalan que el movimiento se genera porque la columna vertebral produce control centralizado y es, básicamente, centros neuronales ubicados en la médula espinal que generan comandos que activan los músculos. En cambio otros expertos aseguran que las activaciones de los músculos obedecen a reacciones a la información sensorial de la interacción del cuerpo con el ambiente. Es decir, ese control es periférico”.
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Pero no era sencillo estudiar este mecanismo en organismos vivos, principalmente porque los animales cuentan con diferentes componentes de los sistemas nerviosos central y periférico interconectados dentro de la médula espinal. “Hay que realizar cortes sistemáticos a la médula espinal de los animales para comprender si pueden conservar sus capacidades locomotoras después de estas lesiones. Causarles ese tipo de lesiones podría significar la muerte del ejemplar”, recuerda Páez, ingeniera de la Universidad Javeriana. Por eso construyeron AgnathaX, que fue desarrollado en Suiza entre la EPFL y la empresa de robótica Colombo-Suiza KM-RoBoTa.
Para construir a AgnathaX se basaron en una lamprea, un pez primitivo que ha existido por cerca de 400 millones de años y que tiene un cuerpo elongado muy similar al de la anguila. La llamaron así en honor a Agnatha, una clase taxonómica que representa a los primeros animales elongados con espina dorsal que aparecieron en la tierra. Melo comenta que escogieron esta especie porque su médula espinal es aún primitiva y menos compleja que los sistemas nerviosos de animales más modernos evolutivamente, lo que les ha ayudado a comprender cómo el sistema nervioso de vertebrados modernos (incluyendo el de humanos) controla los movimientos cíclicos de los músculos del cuerpo para generar locomoción.
AgnathaX cuenta con una serie de motores que generan movimientos laterales y se encargan de accionar los diez segmentos del robot, que simulan los músculos a lo largo del cuerpo. Cada uno de estos segmentos cuenta con sensores de fuerza que funcionan como las células sensibles a la presión en su piel y detectan la fuerza hidrodinámica del agua contra el animal. Y para simular los diferentes componentes del sistema nervioso y así poder comprender mejor la dinámica de los movimientos, el equipo construyó varios modelos matemáticos.
Sus experimentos consistían en hacer que el robot nadara en un tanque en el que se podía seguir y registrar cada uno de los movimientos. Por medio de esta actividad el robot va coordinando las oscilaciones de cada segmento, de la misma manera que la espina dorsal genera activaciones musculares que se organizan para propagar ondas de la cabeza a la cola. “Cuando nadaba, activamos y desactivamos las entradas y salidas centrales y periféricas del sistema nervioso”, cuenta Páez, quien actualmente realiza un doctorado en esta institución. Además, lograron simular qué pasaría en el cuerpo de los animales si una parte dejara de funcionar, si tiene una fractura en la columna vertebral o una lesión en la médula espinal.
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“Lo que hicimos nosotros fue mezclar estas dos cosas (el control centralizado y el periférico) con modelos matemáticos y un robot para intentar, de alguna manera, resolver este debate. Encontramos que estas interacciones entre el sistema nervioso central y el periférico, aparte de que generan movimiento por separado, también permiten que sea mucho más robusto al combinarlas inteligentemente, que es precisamente lo que la naturaleza hace”, explica Melo, quien lleva trabajando siete años en Suiza y es ingeniero electrónico de la Universidad Javeriana.
Los resultados también mostraron que el sistema nervioso es tan robusto, que aun con muchas y diferentes lesiones a lo largo del cuerpo era capaz de generar y coordinar oscilaciones que permiten la locomoción del robot, por lo tanto del animal. Siendo esto una clave para posteriores estudios en cómo el mismo sistema nervioso puede ayudar a maniobrar dentro de fluidos más complejos o con movimientos bruscos como escapes o giros. El estudio contó con expertos en neurociencias, mecánica de fluidos y biología de la Universidad de Tohoku (Japón), el Institut Mines-Télécom Atlantique (Francia) y la Université de Sherbrooke (Canadá).
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Desde hace varios años este laboratorio ha trabajado en temas relacionados con el control neuronal aplicado a robots. Sus artefactos más icónicos son un robot, que es una réplica a escala de una salamandra, y la reconstrucción de un fósil de uno de los primeros animales tetrápodos, ya extinto, con el que entendieron cómo funcionaba su locomoción cuando dejaron de depender del agua para poner sus huevos y empezaron a hacerlo en tierra. Ahora, con los resultados de AgnathaX, los expertos esperan construir otros robots que sean más efectivos para responder preguntas científicas y obtener financiamiento para llevar estos resultados a la industria, para diseñar robots que puedan ser útiles en las misiones de rescate y monitoreo ambiental, por ejemplo para especies de fauna en peligro.
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