Músculos artificiales

A menudo escuchamos que la vida es movimiento: desde la rigidez aparente de un árbol (sus células, al dividirse para formar otras, requieren de cierta fuerza motriz) hasta el vuelo de una libélula; desde la locomoción ‒mediante pseudópodos‒ de un glóbulo blanco hasta el nado sereno de una ballena azul. Sí, la vida, en efecto, es movimiento.

Motor cinesina sobre un microtúbulo.

El movimiento en los organismos biológicos se basa en un sistema de microtúbulos (proteína estructural o de soporte) sobre el cual los motores moleculares: miosina, dineína y cinesina pueden deslizarse. Tal conjunto proteínico conforma a las miofibrillas, que a su vez son unidades fundamentales de las fibras musculares (miocitos) que constituyen al músculo. Las contracciones musculares ocurren bajo señales eléctricas provenientes de las neuronas motoras especializadas para este fin.

Escalables

La escalabilidad es una de las propiedades más importantes de los músculos. Es decir, un músculo de abeja tiene prácticamente la misma estructura que el de un elefante o una ballena. Esta propiedad no la poseen dispositivos creados por el hombre: motores eléctricos y de combustión interna. El avance tecnológico de las últimas décadas ha permitido el desarrollo de motores que, de manera «natural», pueden elongarse/contraerse como los músculos y podrían ser escalables. A estos dispositivos se les ha dado el nombre de músculos artificiales.

Músculos artificiales

La síntesis y caracterización de nuevos materiales ‒sobre todo polímeros‒ a partir de la segunda mitad del siglo XX ha permitido el desarrollo de dispositivos en forma de fibra o película que emulan las contracciones/distensiones de los músculos biológicos. Su accionamiento sucede mediante una señal eléctrica. Se dividen en dos grandes grupos: polímeros electro-activos (PEA) y polímeros electro-activos iónicos (PEAI).

Esquema de músculo artificial PEA, que muestra la
deformación que sufre cuando se le aplica un potencial (1).

El mecanismo del primer grupo ‒PEA‒ se basa en el principio de funcionamiento de los condensadores eléctricos de placas paralelas, los cuales almacenan energía eléctrica en ambas placas ‒separadas a una cierta distancia‒ al aplicarles un potencial eléctrico (o voltaje). El «relleno» entre las placas (dieléctrico) influye en la cantidad de carga eléctrica que pueden almacenar (capacidad eléctrica). Un músculo artificial PEA, consiste de dos «placas paralelas» elásticas y un dieléctrico también elástico. Así, al aplicarles un voltaje (del orden de los kV ‒mil voltios‒), las placas adquieren una carga eléctrica opuesta que genera una fuerza electrostática de atracción, la cual produce una deformación en el mismo plano de las placas. Al dejar de aplicar el voltaje, la carga eléctrica es disipada mediante una resistencia eléctrica y el dispositivo recupera su forma original. Estos músculos artificiales suelen ser tan rápidos como la carga/descarga de las «placas». El principal inconveniente es que funcionan con un voltaje muy alto, lo cual obliga a extremar precauciones.

Inserción de iones entre las cadenas
poliméricas del polipirrol, ocasionando una
elongación  total en el material (1).

Por otra parte, los músculos artificiales PEAI, tienen por base ‒en su mayoría‒ a los polímeros conductores. Debido a que los enlaces químicos de sus cadenas poliméricas son conjugados (enlaces dobles y sencillos alternados), es posible la transferencia de carga eléctrica. Es decir, bajo ciertas condiciones, a través del volumen del polímero conductor, puede circular una corriente eléctrica. Tal transferencia de carga mejora si entre las cadenas del polímero hay iones (átomos o moléculas que, ante la falta o exceso de electrones, adquieren carga positiva o negativa) que contribuyen con más carga. A esta condición se le conoce como «estado dopado», el cual es reversible si se aplica un potencial adecuado que pueda permitir la inserción/expulsión de los iones provenientes de un electrolito. Este fenómeno iónico provoca un incremento/decremento de la distancia entre las cadenas poliméricas que se refleja en una expansión/contracción total del polímero conductor. Los músculos PEAI pueden trabajar con potenciales muy bajos (uno o dos voltios). Uno de sus principales inconvenientes es que son dispositivos lentos (cumplir un ciclo de trabajo les lleva varios segundos).

En las últimas dos décadas se han desarrollado músculos artificiales PEAI de polímeros conductores como, polianilina, polipirrol y politiofeno (y sus derivados). Los retos que hay que vencer para mejorarlos, son: el incremento de su vida útil (la inserción/expulsión de iones termina por afectar la estructura polimérica en un tiempo relativamente corto), elevar su capacidad de elongación (en la actualidad, suele ser de 1 a 3%), y mejorar su velocidad de accionamiento (quizá podrían ser más porosos para incrementar la interacción iónica).

Consideraciones finales

Además de los músculos artificiales que se vieron líneas arriba, se están desarrollando otros basados sólo en nanotubos de carbono (estructura tubular que es una de las formas en que el carbono puede existir), hidrogeles (sistemas coloidales donde la fase continua es sólida y la dispersa es líquida), materiales compuestos de polímero conductor y nanoestructuras (como nanotubos de carbono, grafeno ‒estructura monoatómica de carbono que al apilarse da origen al grafito‒), sistemas híbridos, entre otros.

En cuanto a las aplicaciones, se han desarrollado sistemas braille automáticos, pinzas, sistemas para enfocar lentes, superficies de textura controlable, desarrollos biomiméticos que emulan la locomoción de peces, serpientes, insectos, entre otros más. Creo que no está muy lejano el día en que puedan crearse prótesis de mano, brazo o pierna, basados en su totalidad de músculos artificiales.

Algunas referencias:

1.Tissaphern Mirfakrhai et al. Polymer Artificial Muscles. Materials Today, 10, 4, 2007, 30-38.

2.Paul Calvert. Hydrogels for soft machines. Advanced Materials, 21, 2009, 743-756.

3.Ali E. Aliev. Giant-Stroke, Superelastic Carbon Nanotube Aerogel Muscles. Science, 323, 2009, 1575-1578.

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.

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.

¿Las mujeres son más empáticas que los hombres?

(Texto escrito el 9 de enero de 2013)

Hace unas semanas comí hamburguesas con mi novia y su familia. El hijo de su hermano, quien en unos días cumplirá tres años, fue a la sección de juegos. Mientras el niño subía por una red de túneles concatenados, muy comunes en las franquicias de comida rápida, su mamá nos dijo que en ocasiones, al no poderlo cuidar todo el tiempo por la imposibilidad de que los adultos entren en el área infantil, las niñas presentes de mayor edad cuidaban de él así como de otros niños pequeños. Prosiguió diciendo que tal impulso protector casi no ocurría en los niños (la contraparte masculina).

Experiencias similares las hemos escuchado alguna vez, e incluso, si tenemos buena memoria, las hemos vivido. En ese instante, al escuchar hablar a la cuñada de mi novia, me hice las siguientes preguntas: ¿son las niñas más empáticas que los niños? ¿Podría extenderse esta empatía a la vida adulta? Y si así fuera ¿la causa podría ser cultural, biológica o debida a ambas?

Simon Baron-Cohen

A mediados del año pasado leí el libro «Autismo y Síndrome de Asperger» (Alianza Editorial, 2010) del psicólogo británico Simon Baron-Cohen, quien es director del Centro de Investigación sobre Autismo, en Cambridge, Reino Unido. Durante las últimas décadas ha llevado a cabo un gran número de investigaciones que le ha permitido desarrollar teorías que intentan explicar esta condición.

Una de las teorías del investigador (en la que son coautores Utah Frith y A. M. Leslie), explica el autismo a partir de una ausencia de la teoría de la mente (capacidad que nos permite otorgar estados mentales a los demás): a una persona con autismo, le sería muy difícil entender el lenguaje verbal no literal ‒como la ironía o el sarcasmo‒ y el no verbal (lenguaje corporal, expresión facial, modulación de la voz), cuya utilización nos facilita percibir, en gran medida, lo que nuestro interlocutor está sintiendo (o deseando) en un momento dado. Por esta razón, se dice que alguien con autismo tiene una teoría de la mente disminuida (o alterada) o que tiene «ceguera mental» o una empatía escasa.

Otra de las teorías de S. Baron-Cohen, se denomina empatía-sistematización, la cual contrapone a la empatía otra capacidad: la sistematización. Mediante esta última es posible analizar o implementar cualquier proceso (tangible o intangible) para obtener sus reglas de funcionamiento y predecir así su evolución. Como resultado obtenemos un «sistema». El autor menciona algunos ejemplos de implementación de sistemas como, los de colección, mecánicos, numéricos, motores, entre otros.

Ejemplo de sistema: péndulo.

Se ha visto que las personas con autismo puntúan mucho más alto en pruebas de sistematización (el autor ha desarrollado cuestionarios que miden la sistematización ‒coeficiente de sistematización‒ así como la empatía ‒coeficiente de empatía‒) y puntúan por debajo de la media en pruebas de empatía. Estos resultados podrían explicar los problemas de comunicación inherentes en el autismo, así como la hiper-focalización en ciertos temas, las conductas repetitivas y su resistencia al cambio (consecuencias de una elevada «sistematización»). Cuando una persona «sistematiza», lo fundamental es que «lo demás» sea previsible.

S. Baron-Cohen fue aún más lejos al generalizar la empatía-sistematización en la teoría del cerebro masculino extremo. Se dio cuenta de claras diferencias de género en las pruebas de empatía y sistematización. En cuanto a la primera, las mujeres puntuaban más alto mientras que los hombres hacían lo propio en la capacidad de sistematizar. Además, las personas dentro del espectro del autismo obtenían aún mayor puntaje en las pruebas de sistematización y menor puntuación en la contraparte de empatía. Fue entonces que el autor definió el autismo como típicamente «masculino».

En las pruebas de sistematización-empatía, el autor distinguió dos dimensiones independientes: la empatía (E) y la sistematización (S) en la población general. De tal forma, pudo clasificar el cerebro en cinco tipos:

-Tipo E: Individuos con mucha empatía pero con problemas de sistematizar (E˃S)

-Tipo S: Individuos que sistematizan muy bien pero carecen de empatía

-Tipo B (equilibrado): Individuos cuya capacidad de sistematización es igual de buena que su empatía.

-Tipo E extremo: Individuos cuya empatía está por encima de la media pero les cuesta mucho sistematizar (E˃˃S).

-Tipo S extremo: Individuos cuya capacidad de sistematización está por encima de la media pero no son empáticos (S˃˃E).

Las pruebas aplicadas a cierta muestra de población arrojaron los siguientes resultados (ver tabla, tomada del mismo libro) donde se muestra el porcentaje de personas que tienen uno de los principales tipos de cerebro.

Tipo de cerebro	Denominación	Hombres	Mujeres	Síndrome de Asperger
E˃S	Cerebro femenino	17	44	1
S˃E	Cerebro masculino	54	17	27
S˃˃E	Masculino extremo	6	0	65

En la tabla podemos observar más hombres con cerebros tipo S y más mujeres con cerebros tipo E. Además, la mayor parte de las personas que tienen síndrome de Asperger (condición dentro del espectro del autismo) puntuaron dentro del cerebro masculino extremo.

Lo anterior se relaciona con el hecho de que el autismo es más frecuente en hombres que en mujeres (4:1 aproximadamente). Lo interesante de este enfoque es que permite concatenar el espectro del autismo con el de la población neuróticamente típica. El espectro «ampliado» quedaría como sigue: cerebro masculino extremo (autismo, luego Asperger), cerebro masculino (la mayoría de los hombres), cerebro femenino (la mayoría de las mujeres). Especulando un poco, podría añadirse el "cerebro femenino extremo", en donde abundarían personas (una mayoría de mujeres¹) con tendencia a la psicosis paranoica, cuya característica principal es la intensificación desmedida de la empatía o teoría de la mente.

Esta teoría ha sido apuntalada con evidencias neurológicas ‒regiones cerebrales de mayor o menor tamaño según el género y de que se padezca o no autismo‒ por lo que nos sugiere que una mayor empatía en las mujeres podría tener un componente biológico desde un punto de vista evolutivo: pudo haber tenido un comienzo en el hombre primitivo (mera especulación puesto que no hay evidencia concluyente del rol de género en aquellos tiempos). Es posible que la mujer prehistórica en situación de madre, haya desarrollado una mayor empatía debido a que pasaba más tiempo en el cuidado de los niños. En cambio, el hombre, quizá más enfocado a la caza, desarrolló una capacidad de sistematización mayor.

No hay que perder de vista que la teoría del cerebro masculino extremo, es un modelo que, como todos los modelos, tiende a ser reduccionista, pero explica con claridad y simpleza la sintomatología general del autismo, y a partir de ahí, logra extenderse hacia toda la población humana. La generalidad en un modelo científico es muy deseable para que obtenga validez.

1. Hales E and Yudofsky JA, eds, The American Psychiatric Press Textbook of Psychiatry, Washington, D.C: American Psychiatric Publiching, Inc. 2003.

Supercondensadores: puente entre las baterías y los condensadores

(Publicado por vez primera en http://papeldeperiodico.com/2013/10/02/que-son-los-supercondensadores/)

Un supercondensador, es un dispositivo que permite almacenar grandes cantidades de energía eléctrica y cederla en forma relativamente rápida. Para entender su funcionamiento, veamos una analogía con un circuito hidráulico (todos hemos visto una presa, o un depósito de agua que alimenta una red de tuberías).

Presa.

Imagine usted que es un ingeniero de procesos en una planta industrial donde se requiere un flujo muy caudaloso de agua para el lavado de botellas y un flujo menor (constante) para llenarlas. Para este caso, la planta cuenta con agua suministrada por una presa cercana, y para el otro, se tiene un tanque de cierta capacidad que, al ser llenado (en cierto tiempo), se vacía por un conducto de gran diámetro, obteniendo el caudal y la energía necesaria para el correcto lavado de botellas.

Usted, por cuestiones de eficiencia, quiere contar con un flujo caudaloso adecuado con mayor frecuencia por lo que diseña un tanque sustituto de mucha mayor capacidad. Después de cálculos y estimaciones, usted obtiene en papel el esquema de un tanque “híbrido” que contaría con una elevada capacidad (emulando a una presa) el cual podría suministrar el flujo constante de llenado y también los flujos caudalosos requeridos. Podríamos llamarle a este inmenso reservorio «supertanque» o también «supercondensador hidráulico» (debido a su alta capacidad de almacenamiento y descarga de agua).

Tanque de agua elevado.

Pasemos ahora del circuito hidráulico al eléctrico: la presa, que permite tener un flujo constante de agua para el llenado de botellas, sería el equivalente eléctrico de una batería; el agua acumulada en la presa, sería la carga eléctrica almacenada electroquímicamente en la batería; el conducto ‒o tubo‒ hidráulico, junto con su válvula de cierre, sería el equivalente de un alambre conductor de la electricidad conectado a una resistencia que limita el paso de la corriente; el tanque, que almacena el agua para lavar botellas, sería un condensador (o capacitor) eléctrico, capaz de almacenar carga eléctrica; el «supertanque», sería el equivalente eléctrico de un supercondensador, el cual puede almacenar grandes cantidades de carga eléctrica y cederla en forma relativamente rápida; la altura del tanque sería el equivalente al voltaje del condensador o supercondensador.

Un globo, un condensador eléctrico

Como vimos ya brevemente, un condensador es un dispositivo que almacena carga eléctrica. ¿Cómo ocurre esto?… Pensemos en un globo inflado. Éste, al frotarse con el cabello (o con una prenda de lana), adquiere carga eléctrica (electrones del cabello ‒o de la lana‒ se trasladan al globo, obteniendo así una carga eléctrica neta negativa). Cuando el globo vuelve a acercarse a la cabeza atrae cabellos, o si se acerca a pequeños pedazos de papel, los atraerá también. De hecho, el globo, por tener la capacidad de almacenar carga eléctrica, es un condensador eléctrico. El globo cargado, podría adherirse a una pared, que, aunque es eléctricamente neutra, la carga negativa del globo le induce a tener  una carga eléctrica positiva en su superficie, generando así una fuerza electrostática de atracción (cargas eléctricas opuestas se atraen, en caso contrario, se repelen). En el momento en el que el globo transfiere su carga negativa a la pared, se vuelve eléctricamente neutro y cae al suelo.

Condensador de «placas paralelas»

Líneas de campo eléctrico entre
dos placas con carga opuesta

Un condensador eléctrico consiste de dos placas paralelas, separadas a cierta distancia, en las que se puede acumular carga eléctrica: positiva en una placa, y negativa en la otra. Tal configuración genera un campo eléctrico entre ellas (con cierta diferencia de potencial, medida en voltios). En el ejemplo del globo, éste podría representar la placa con carga negativa y determinada área de la pared, la placa con carga positiva.

En los condensadores eléctricos, cuanto mayor sea el área de las placas y menor la distancia entre ellas, mayor es su capacidad de almacenamiento de carga. En medio de ambas puede colocarse algún aislante (denominado dieléctrico) como aire, plástico, cerámica o algún electrolito, que incrementa la capacidad del condensador. Cada dieléctrico tiene determinada capacidad de polarización, es decir, qué tanto sus moléculas, o iones (en el caso de un electrolito), se alinean con el campo eléctrico generado entre las placas. La parte negativa de las moléculas polarizadas se dirigen hacia la placa con carga positiva, y la parte positiva hacia la placa negativa. La polarización en el dieléctrico, genera otro campo eléctrico que se opone al generado por las placas del condensador. Para compensar la súbita disminución del campo eléctrico (el potencial entre las placas debe permanecer constante), se almacena más carga eléctrica en las placas, lo cual genera una mayor capacidad eléctrica total en el dispositivo.

Así, vemos que hay tres factores principales que influyen en el comportamiento de un condensador: el área de las placas, la distancia, y el dieléctrico. La unidad de medida de la capacidad eléctrica es el Faradio (F), en honor al científico británico Michael Faraday.

En la industria de los componentes electrónicos, son muy comunes dos tipos de condensadores: los cerámicos y los electrolíticos. En los primeros, se utilizan materiales cerámicos como dieléctrico. En los segundos, el dieléctrico (un electrolito que consiste de una solución con moléculas eléctricamente cargadas, es decir, iones) humedece un papel en medio de dos tiras metálicas enrolladas. Esta configuración permite altas capacidades en un volumen relativamente pequeño. Los condensadores convencionales tienen valores de orden de los pF (pico-Faradios, 10^-12 F), nF (nano-Faradios, 10^-9 F) o μF (micro-Faradios, 10^-6 F).

Los supercondensadores

Como vimos, cuanto mayor sea el área de las «placas» de un condensador, la capacidad de almacenamiento de carga es mayor. Pero ante el impráctico incremento de área lisa (el dispositivo sería demasiado voluminoso), es mejor aumentar la rugosidad de la placa como una manera de incrementar el área. Si las «arrugas» de la superficie tienden a ser prominentes e ínfimas, en el orden de los μm (micro-metros, 10^-6 m) o nm (nano-metros, 10^-9 m), la superficie tendería a ser enorme. Esta característica permite que la capacidad de un condensador se incremente en forma significativa.

Uno de los materiales que permite una rugosidad (o porosidad) a escala nanométrica, es el carbono, ya sea en forma activada (alto nivel de porosidad ‒un gramo puede sobrepasar los 600 m² de área‒); de nanotubos (cilindros muy largos con respecto a su diámetro, de una o varias capas); o de grafeno (hojuelas de un átomo de espesor). Estas morfologías han permitido el desarrollo de supercondensadores de carbono con capacidades en el orden de los Faradios o decenas de Faradios por gramo (cientos de miles de veces la capacidad de un condensador electrolítico convencional).

Supercondensador de 400 F (a 2.7 V).

Por otra parte, se han desarrollado supercondensadores de mayor capacidad basados en polímeros conductores (macromoléculas conformadas por cientos o miles de unidades ‒monómeros‒ que debido a sus enlaces, y bajo ciertas condiciones, permiten la conducción de electricidad) como la polianilina, el polipirrol y el politiofeno. Estos materiales no almacenan la carga eléctrica en su superficie, sino en su volumen (mediante la inserción/expulsión de ciertos iones en un electrolito). Es decir, estos condensadores rompen con el esquema del condensador de dos «placas». Por tal razón, a su propiedad de almacenar carga eléctrica se le llama pseudocapacidad. También existen supercondesadores de óxido de rutilo, de iridio y de rutenio. Específicamente con este último se han obtenido capacidades de hasta 400 faradios por gramo (F/g). Ambas clases de supercondensadores: de polímeros conductores y óxidos metálicos, almacenan y ceden carga eléctrica mediante reacciones de óxido-reducción (redox) en un electrolito adecuado.

Las capacidades de los supercondensadores basados en polímeros conductores están en el orden de los cientos de F/g (cientos de veces la capacidad de los supercondensadores de carbono), pero como la carga se almacena en su volumen, la rapidez carga/descarga es baja (cierta porosidad en el polímero conductor aumenta la rapidez). Una de sus mayores desventajas es su corta vida útil: almacenan y descargan carga eléctrica de manera eficiente sólo algunos cientos o miles de veces (en contraste, los supercondensadores de carbono llegan a alcanzar millones de ciclos de trabajo). Con respecto a los supercondensadores de óxidos metálicos, el ciclo carga/descarga es más rápido y su vida útil más larga pero tienen el inconveniente de su alto costo.

Aplicaciones de los supercondensadores

Automóvil híbrido.

Los supercondensadores pueden utilizarse en automóviles eléctricos o híbridos (los cuales funcionan con un motor de combustión interna y otro eléctrico). Son capaces de ceder la enorme carga eléctrica almacenada en muy poco tiempo (una corriente eléctrica alta) que ayudaría a accionar el motor eléctrico (alimentado por una batería) cuando el vehículo se encuentre en alto total. Al poco tiempo, el supercondensador se cargaría otra vez para volver a ceder su energía eléctrica cuando fuera necesario. Un supercondensador también podría apoyar con potencia eléctrica a un motor de un elevador, o podría utilizarse para alimentar dispositivos electrónicos, como celulares, relojes o cámaras fotográficas, durante periodos relativamente largos.

Los supercondensadores son dispositivos intermedios entre una batería eléctrica y un condensador convencional. En ciertas condiciones podría utilizarse como batería, y en otras, como condensador (con una capacidad enorme).

La lengua portuguesa: algunas observaciones desde el español

(Escrito en Recife, Brasil, 4 de mayo de 2014)

Recife, Brasil.

Casi cumpliré diez meses viviendo en la ciudad de Recife (Brasil). Llegué para seguir adelante con algunas actividades de investigación (gracias a una amable invitación de mi exdirectora de doctorado en México) en el Departamento de Química Fundamental de la Universidad Federal de Pernambuco (UFPE). Desde el comienzo de mi estancia, me he ido embebiendo en las costumbres, cultura, y «espíritu» del pueblo recifense. Su amabilidad y hospitalidad me han hecho sentir con frecuencia como en casa, pero sobre todo su lengua (el portugués), es la que más me ha ido cautivando.

Un previo y breve curso de portugués (tres meses) y el haber disfrutado por algunos años de Bossa Nova (escuchando a Astrud Gilberto, Vinicious de Moraes, Antonio Carlos Jobim, entre otros), hicieron que el portugués no me fuera tan desconocido al llegar a Recife, aunque al escuchar conversaciones «reales» en la calle, me hizo ver que en realidad no lo conocía como yo creía. Tuve que esforzarme en aprender lo básico en los primeros meses para lograr comunicarme lo mejor posible.

Hoy, mi portugués causa menos quejas, y aunque no deja de desesperarme mi falta de fluidez, no me ha impedido compararlo con el español (de hecho, todas las personas que adquieren otra lengua, a menudo la comparan con la ‒o las‒ que ya dominan). El portugués, al igual que el español, gallego, rumano, sardo, italiano, catalán y francés, es una lengua latina ‒o neolatina‒ por provenir del latín. Y aunque todas sean lenguas hermanas, la similitud entre ellas es variable. Por ejemplo, la distancia entre el español y el rumano es mucho mayor que entre el español y el portugués, lo cual puede explicarse debido a las condiciones geográficas (Portugal es vecina de España, no así Rumania), lingüísticas (Rumania se encuentra rodeada de países de lengua eslava), o políticas (la interacción de España con Portugal fue mucho mayor que con Rumania). La mayor cercanía entre la lengua española y portuguesa, ha facilitado a sus hablantes, el aprendizaje de cualquiera de ellas.

Tal similitud tiene mucho que ver con que ambas lenguas compartan una extensa cantidad de palabras que se escriben igual o de manera muy parecida (que pueden o no tener el mismo significado). Además, un observador hablante de un idioma no latino que estuviera aprendiendo las dos lenguas, podría decir que sus estructuras gramaticales son, en esencia, idénticas.

Lo primero que me llamó la atención del portugués, es que hay muchas palabras que comienzan con ‘f’ que en español se escriben con ‘h’. Por ejemplo, formiga (hormiga), fígado (hígado), fazer (hacer), falar (hablar), fumo (humo), fogueira (hoguera), ferir (herir), folha (hoja), figo (higo), formosura (hermosura), entre muchas otras. Esta peculiaridad, era lo normal en el castellano medieval ‒la ‘f’ después devino en ‘h’‒. Un «fósil» actual español es la palabra ‘foja’, que ‒por lo menos en México‒ designa las hojas de escritos oficiales como escrituras, testamentos, o actas de nacimiento (en ocasiones el Derecho «cristaliza» las palabras hasta volverlas arcaicas). Asimismo, cada vez que escuchaba la palabra portuguesa ‘agora’ (en español 'ahora’), me transportaba de manera inevitable al Medioevo hispano, cuando también tenía la misma forma.

Colocaré un pequeño fragmento del Cantar del mío Cid (cantar de gesta anónimo castellano del siglo XIII) donde se reconocen algunas importantes palabras portuguesas actuales en las arcaicas españolas:

1  Embió el Cid por sus amigos e sus parientes e sus vasallos

2  E fabló: ‒Como el rey me manda de toda mi tierra salgo;

3  Más de nueve días no me dará de plazo,

4  E los que conmigo fuéredes de Dios ayades buen grado,

5  E los que acá conmigo fincáredes quiérome ir vuestro pagado.‒

6  Entonces fabló Álvar Fáñez, su primo cormano:

7 ‒Convusco iremos, Cid, por yermos y poblados,

8  Ca nunca vos fallesceremos en cuanto seamos vivos e sanos;

9  Convusco despenderemos las mulas e los cavallos,

10 El oro e la plata e los averes e los paños.

Estatua del Mío Cid, Burgos, España.

En la segunda línea, vemos ‘fabló’ de ‘fablar’ (en portugués actual ‘falar’ ‒hablar‒); en la quinta, vemos ‘fincáredes’ de ‘fincar’ (en portugués ‘ficar’ ‒equivalente al ‘quedar’ castellano‒); en la séptima, vemos ‘convusco’, equivalente al actual ‘convosco’ portugués (‘con ustedes’ o ‘con vosotros’), por último, la conjunción ‘e’ del castellano medieval (que cambió a ‘y’) se utiliza con normalidad en portugués. Ambas proceden de la conjunción latina ‘et’.

(Después, con más calma, revisaré un texto medieval portugués y consultaré más a fondo las etimologías latinas).

Otra palabra portuguesa que también me impactó fue ‘preto’ (negro), la cual viene de la palabra latina ‘appectorare’ (de pectus, pectórum), que significaba apretar contra el pecho. Después, cambió a ‘apretar’, y de aquí, a ‘preto’ (algo denso, espeso, o apretado, es decir, oscuro). El equivalente castellano de ‘preto’ es ‘prieto’, que aunque ahora es un arcaísmo en España, sigue vigente en México para designar algo que tiene un color oscuro. Algunos ejemplos: ‘los niños prietos’, ‘el plátano tiene prietitos’ (es decir, ya está maduro), etc.

Y aunque disto mucho de ser lingüista, etimólogo o gramático (soy ingeniero), me es fascinante conocer sobre el distante origen común del español y portugués, los cuales, desde hace siglos, construyen con vigor su propio camino.

Siempre me ha asombrado que las palabras que utilizamos en la cotidianeidad, posean ‒cada una‒ una larga y tortuosa historia. Para conocerla, sólo hace falta escarbar en el latín clásico (o vulgar), en el griego, en el árabe, en las lenguas germánicas, o en las lenguas indígenas americanas. Por el momento me despido con una cita del poeta y dramaturgo alemán Friedrich Schiller:

«Llamáis lenguas muertas al lenguaje de los griegos y latinos. Pero de ellas se origina lo que en las vuestras pervive».