martes, 19 de mayo de 2015

Presente y Futuro de la Biónica

¿Alguna vez, estimado lector, ha deseado poseer la habilidad de algún animal que usted admire? Por ejemplo, ¿le gustaría tener la visión nocturna de un felino; la soltura en el nado de un delfín o tiburón; la potencia de salto de una rana; la habilidad de un camaleón de mimetizarse con el medio ambiente; la capacidad de “ver” del murciélago mediante ondas sonoras; volar o planear como ave; entre otras más? Incluso es posible que también haya pensado en tener a la mano dispositivos que pudieran realizar una tarea específica emulando características de distintos organismos biológicos: un traje para nadar con superficie parecida a la piel de tiburón (para disminuir el rozamiento con el agua); aletas para pies y manos como las membranas que tienen los gansos en sus patas; un robot con forma de insecto que pudiera ayudarnos a vigilar nuestra casa; un órgano artificial que pudiera sustituir a uno enfermo; y así, la lista podría ser muy larga.
Imitando la naturaleza
Algunos de los ejemplos anteriores, ya han sido desarrollados: aeroplanos, sonar, videocámaras de visión nocturna (y diurna), robots que emulan la locomoción de insectos o reptiles, brazos robóticos industriales, piernas o brazos artificiales para personas que han sufrido amputaciones, entre otros más. Un caso emblemático del desarrollo de un sistema mecánico a partir de la observación de uno biológico lo llevó a cabo en 1951 el ingeniero suizo Goerge de Mestral. Él observó que los frutos de algunos cardos Arctium bardana se enganchaban a ciertas telas, lo cual lo llevó a desarrollar el Velcro (sistema de apertura y cierre rápido), tan usado hoy en día.
La historia de la ingeniería nos permite conocer casos en los que el hombre ha tratado de imitar alguna estructura o sistema biológico para resolver un problema práctico. No cabe duda que la sagacidad humana ha sido suficiente para darse cuenta que las herramientas «naturales» de los organismos vivos son en extremo eficientes para sobrevivir en los más diversos ecosistemas.
Biónica: biología y técnica
Hace algunas décadas se creó un nuevo campo científico-tecnológico que aborda el estudio de sistemas biológicos para la obtención de productos técnicos, al cual se le denominó biónica. Esta palabra fue acuñada por el médico estadounidense Jack E. Steele en 1952. Su popularización se debió a las series televisivas ‘El hombre de los seis millones de dólares’ (‘El hombre nuclear’, en Hispanoamérica) y la ‘Mujer biónica’, en la década de los 70. La palabra biónica se conforma de las raíces griegas ‘bios’ (vida) e ‘ica’ (relativo a), es decir, etimológicamente significaría “relativo a la vida”. Aunque también se menciona que la palabra biónica se formó de los segmentos resaltados de las palabras BIOlogía y técNICA.
El propósito principal de la biónica es la creación de sistemas artificiales para reproducir las características y la estructura de los organismos vivos. Esta disciplina puede tener aplicación en todas las ramas de la ingeniería, la arquitectura, las ciencias naturales, formales, o incluso sociales. A la biónica también se le conoce como biomimética y biognósis, cuyos prefijos vienen de la raíz griega ‘bios’, y el resto, de las raíces ‘mímesis’ (imitación) y ‘gnósis’ (conocimiento). Es decir, estas palabras significarían “imitación de la vida” y “conocimiento de la vida”, respectivamente.
La cibernética ‒a comienzos de la segunda mitad del siglo XX‒ fue la primera disciplina científica en tender un puente entre la biología y la técnica. Estableció una analogía entre la estructura y el funcionamiento de los sistemas vivos y los artificiales (sistemas reguladores). Por tanto, la cibernética podría ser la precursora de la biónica. Posteriormente, surgieron áreas como la inteligencia artificial (donde se aborda el desarrollo de redes neuronales, algoritmos genéticos, entre otros) y la visión artificial (detección e interpretación de objetos en imágenes), las cuales tienen una estrecha y evidente cercanía con la biónica.
Aplicaciones de la biónica
El quehacer de la biónica es muy amplio: va desde la aplicación de la topología del delfín en la aerodinámica de algunos vehículos, hasta el diseño de edificios con trazados de formas naturales y biológicas (con el objeto de incrementar sus cualidades estructurales y estéticas). Una propuesta muy difundida, dentro de la arquitectura biónica, es la Torre Biónica, que pretende ser una ciudad vertical que podría dar albergue a más de 100 mil personas.
La ciencia de materiales se apoya en la biónica al querer imitar, hasta cierto punto, materiales compuestos, como el hueso, las conchas de algunos mejillones y la madera; o también al imitar su morfología macroscópica para mejorar las propiedades mecánicas de elementos estructurales o de soporte. Asimismo, se han estudiado y desarrollado materiales biocompatibles para el recubrimiento de prótesis invasivas (como las de cadera, rodilla, húmero, entre otros). Cabe mencionar también que la biónica interviene en el diseño y manufactura de soportes adecuados para el cultivo y crecimiento de tejido biológico.
Quizá el campo de desarrollo biónico más conocido sea el de la manufactura de prótesis de brazo o mano accionadas mediante señales mioeléctricas (pequeñas corrientes eléctricas de los nervios que accionan los músculos), o las prótesis de piernas (no es raro observar velocistas con algunas de estas prótesis). En la actualidad, se trabaja arduamente en el desarrollo de exoesqueletos que podrían otorgar movilidad y cierta independencia a individuos parapléjicos y tetrapléjicos.
En general, todo el instrumental y equipo biomédico ‒desde medidores de glucosa para diabéticos y marcapasos, hasta monitores de signos vitales y respiradores artificiales‒ han tenido a la biónica como soporte. Dentro de estos dispositivos podrían destacar las retinas biónicas (chips fotosensibles implantados en el ojo) que son capaces de devolver parcialmente la vista, y los implantes cocleares (transductores que convierten las señales acústicas en eléctricas) que estimulan los nervios del oído para mejorar la audición.
Por otra parte, se han construido prototipos robóticos de peces y serpientes buscando aprovechar su eficiente locomoción; o también se están estudiando las propiedades ópticas de algunas alas de mariposa debido a que su superficie se encuentra altamente estructurada a escala nanométrica (un nanómetro es igual a una mil millonésima parte de un metro), dando como resultado esa variabilidad tan grande de color que poseen. En cuanto al estudio de ciertas propiedades de las plantas, ha llamado la atención la hidrofobicidad de la planta Lotus, la cual tiene una peculiar estructura en la superficie de sus hojas que hace que el agua resbale sin mojarlas. Esta propiedad, denominada ángulo de humectancia, se ha aplicado a la superficie de alfombras o telas para que no se mojen.
En la actualidad, se realiza mucha investigación para el desarrollo de músculos artificiales, esto es, dispositivos que ante un estímulo pueden contraerse o elongarse como lo haría, hasta cierto punto, un músculo biológico. Los hay de polímeros elásticos que ante una fuerza electrostática de atracción, se elongan, y al dejar de aplicarla se contraen. También hay músculos artificiales basados en polímeros conductores de electricidad que, ante un voltaje apropiado, se deforman (dentro de una solución electrolítica adecuada) debido a una inserción/expulsión en su volumen de ciertos iones (elementos o moléculas que poseen carga eléctrica).
Consideraciones finales
Pruebas de un brazo biónico en el laboratorio
del ing. Luis Armando Bravo Castillo.
La biónica, principalmente puede estudiarse a nivel universitario en Alemania y México, aunque en Estados Unidos, Japón, Reino Unido y España hay especializaciones en biorrobótica e investigación a nivel posgrado. De estos países, sobresale Alemania donde hay oferta universitaria en biónica desde la década de los 70. En México se ofrece ingeniería en biónica en la Unidad Profesional Interdisciplinaria en Ingeniería y Tecnologías Avanzadas (UPIITA) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), desde 1996, y en la Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla (UPAEP) donde comenzó unos años después. De estos centros ha logrado graduarse una cantidad importante de ingenieros en biónica, dentro de los cuales ha destacado el ingeniero Luis Armando Bravo Castillo, quien fundó la empresa Probionics donde diseña y construye prótesis de brazo y mano que se accionan mediante señales mioeléctricas. Cabe mencionar que tuve el privilegio de ser su compañero de estudios en la UPIITA.
Sin duda, la biónica seguirá desarrollándose en los siguientes años. Sus límites estarían acotados por la enorme diversidad biológica que existe en la Tierra, por lo que la cantidad de sistemas biológicos a estudiar (y aprovechar) sería incalculable en estos momentos. Así que, estimado lector, cuando salga de paseo al campo y observe la flora y la fauna, quizá lo haga de diferente manera: comenzaría a buscar estructuras y sistemas biológicos que podrían resolver algún problema concreto de su entorno cotidiano.


miércoles, 13 de mayo de 2015

El Experimento en la Ciencia

Todos somos experimentadores por naturaleza: desde el niño que prueba qué materiales son atraídos por un imán, o analiza cuál es la mejor distancia y posición de una lupa para concentrar la luz del sol en un punto y así quemar una hoja, hasta el cocinero que, al preparar comida, modifica la cantidad de ingredientes y tiempo de cocción para obtener un nuevo (o mejor) sabor; o el orador que prueba qué tono de voz podría producir una mayor emoción en su público. Ya sea que la respuesta a nuestros «experimentos» sea objetiva o subjetiva, siempre aspiramos a la mejor posible.
Desde tiempos remotos, aunque se desconocía el concepto actual de experimento, la humanidad conquistó el fuego, construyó armas para la caza o la guerra, desarrolló la rueda, y manipuló metales, siempre basada en un continuo perfeccionamiento tecnológico. En el comienzo de la historia, los chinos, griegos y romanos llevaron a la tecnología a niveles muy altos de sofisticación; sin embargo, fue con Galileo Galilei (1564-1642) que se comenzó a utilizar el experimento con una plena consciencia de su poder para producir conocimiento: la ciencia moderna había comenzado.
El experimento en las ciencias naturales
Un experimento consiste en encontrar una respuesta (o salida) de un sistema físico, químico o biológico (bajo condiciones controladas) en función de una deliberada manipulación de uno o más factores (variables). Por ejemplo, en el experimento de la descomposición de la luz blanca en colores, Isaac Newton utilizó un par de prismas como medios refractores (cada color se refracta a un ángulo diferente). Las condiciones experimentales fueron: la intensidad de la luz blanca incidente, la geometría y materiales de los prismas y el arreglo del sistema experimental (distancia de la fuente de luz al primer prisma y de éste al segundo, tipo de pantalla para observar la luz de color refractada, entre otros). Por otro lado, las respuestas del experimento fueron la visualización de los colores componentes de la luz blanca, su posición en la pantalla, entre algunas otras.
Esquema del sistema experimental de Isaac Newton
Los experimentos en las ciencias experimentales pueden llegar a ser técnicamente muy complejos, tales como, el experimento de Michelson y Morley (para conocer la velocidad de la luz), el efecto fotoeléctrico, de Albert Einstein, o los experimentos llevados a cabo en los sofisticados aceleradores de partículas donde se hace colisionar haces de partículas subatómicas ‒de muy alta energía‒ para producir otras (la cantidad de factores en estos experimentos es enorme y su control muy minucioso).
 El experimento en las ciencias sociales y formales
Las ciencias formales (matemáticas, teoría de la información, teoría de sistemas, entre otras) no necesitan del experimento porque están estructuradas matemáticamente: consisten de uno o más sistemas formales cuya base es axiomática (un axioma, es una proposición no susceptible de demostración) y su estructura está conformada de teoremas (expresiones de un sistema formal demostrables dentro del mismo). La dinámica de estas ciencias podría resumirse como sigue: después de formularse cierta conjetura (o hipótesis), ésta debe demostrarse como verídica dentro del sistema formal. El resultado sería un nuevo teorema, y así sucesivamente.
Con respecto a las ciencias sociales, el experimento estaría vedado para la historia, pero no para la sociología o la antropología que, a pesar de ser disciplinas descriptivas (de sociedades y culturas), pueden permitir el diseño de ciertos experimentos de carácter social o cultural, independientemente de sus consecuencias éticas. Dichos experimentos estarían más justificados en disciplinas como la economía o ciencias de la conducta (psicología).
Diseño de experimentos y modelos experimentales
En las ciencias experimentales, la teoría y el experimento están íntimamente ligados. No es posible establecer una jerarquía entre ellos. Tienen la misma importancia. El modelo es perfectible conforme la ciencia avanza pero podría sustituirse por otro si nuevos resultados experimentales ya no se ajustan a él. Entre más general sea un modelo, mejor puede describir la naturaleza.
Ejemplo de superficies de respuesta
 (enfoque sistémico) de un experimento
de dos factores y tres respuestas.
En las ciencias experimentales es posible diseñar experimentos bajo un enfoque analítico en el que puede variarse un solo factor, después otro, y así sucesivamente hasta obtener una descripción sólida del fenómeno estudiado. El modelo experimental resultante, tendería a ajustarse a los modelos generales vigentes. Por otra parte, un enfoque sistémico (más utilizado en ingeniería) permite analizar cierto número de factores al mismo tiempo, lo cual hace posible estimar la probable interacción (o sinergia) entre ellos, además de poder conocer su efecto individual. El modelo respectivo, sería empírico y limitado a las condiciones experimentales del estudio. Ambos enfoques, el analítico y el sistémico, se complementan (ver El enfoque sistémico en la ciencia).
Dentro del campo de la Estadística, hay un área que se dedica al desarrollo de diseños experimentales. Ésta ha permitido crear experimentos exploratorios que pueden detectar los factores más significativos en un determinado fenómeno o proceso (denominados diseños factoriales y diseños factoriales fraccionarios), y también diseños más sofisticados que permiten obtener modelos matemáticos empíricos (mediante un análisis de varianza) cuyo principal objetivo es optimizar ciertos procesos.

Sea cual sea el enfoque al diseñar un experimento, su descripción detallada (en revistas académicas especializadas) en el momento de obtenerse resultados significativos, es importante para que pueda replicarse en cualquier parte del mundo. Este mecanismo permite la expansión de las fronteras del conocimiento científicamente válido.