Como símbolos de la perfección de la forma humana, uno podría considerar la Venus de Milo o el David de Miguel Ángel. Pero esos no muestran el interior, donde se pueden encontrar diseños excepcionales. A medida que los fisiólogos obtienen un conocimiento más profundo a escalas cada vez más pequeñas, hasta los niveles celular y molecular, encuentran una gran cantidad de inspiraciones de diseño. Estos son algunos de los ejemplos más recientes que han salido a la luz.
Cabello
Los científicos de la Universidad de Queensland han hecho nanodots de carbono con cabello humano. Los nanodots de carbono son «nanomateriales de carbono altamente luminiscentes a partir de los cuales se pueden fabricar dispositivos emisores de luz flexibles». Para producir los nanodots de carbono, «desarrollaron un proceso de dos pasos que consistía en romper los pelos y luego quemarlos a 240 grados Celsius». Ahora, ¿no es esa una forma inteligente de usar el cabello perdido? Piense en todo ese cabello que se barre en los pisos de las barberías y salones de belleza. ¿Por qué no hacer luz?
«El desperdicio es un gran problema», dijo el profesor Sonar. “Los dispositivos emisores de luz orgánicos basados en puntos de carbono derivados del cabello humano podrían usarse para algunas aplicaciones en interiores, como el embalaje inteligente.
Continuó, «También podrían usarse donde se requiere una pequeña fuente de luz, como en carteles o en bandas inteligentes, y podrían usarse en dispositivos médicos debido a la no toxicidad del material». [Énfasis añadido.]
El cabello de Medusa puede ser tóxico, pero no humano. Es un beneficio: «podría haber muchos usos para pantallas OLED flexibles pequeñas y baratas en dispositivos de Internet de las cosas (IoT)», por ejemplo. Los cartones de leche del futuro también pueden informarle sobre la leche caducada. Y los ingenieros de calidad del agua podrían usar tales sensores para monitorear los niveles de cloroformo en los centros de tratamiento.
Pero, ¿por qué usar cabello en lugar de otras fuentes de carbono? El Profesor Asociado Prashant Sonar del Centro QUT para la Ciencia de los Materiales responde:
El profesor Sonar dijo que la razón por la que los investigadores eligieron el cabello para extraer puntos de carbono, en lugar de otra cosa, fue porque los pelos eran una fuente natural de carbono y nitrógeno, que son elementos clave para obtener partículas emisoras de luz. Otro factor fue que encontrar un uso práctico para el cabello residual podría evitar que termine en vertederos.
Cuando se queman, las proteínas de queratina en el cabello humano se descomponen en carbono y nitrógeno en una estructura molecular que le otorga «propiedades electrónicas favorables». Si esto funciona, dice el equipo, las industrias podrían trabajar «hacia una economía circular y tecnología de materiales sostenibles».
Las células rojas de la sangre
Los eritrocitos (glóbulos rojos) combinan flexibilidad para atravesar capilares estrechos, con alta capacidad de carga, para transportar oxígeno en las proteínas de hemoglobina. A los científicos de la salud les gustaría enviar medicamentos a través del torrente sanguíneo de manera similar. El diseño de nano-vasos que pueden aprovechar el sistema circulatorio es una gran tendencia en la medicina en estos días.
Sabiendo que las membranas de los glóbulos rojos pueden apretarse y volver a ponerse en forma, seis investigadores de Johns Hopkins se inspiraron. Publicaron los resultados de su trabajo en Science Advances (una revista de acceso abierto de la Asociación Americana para el Avance de la Ciencia, o AAAS), titulada «Nanopartículas poliméricas anisotrópicas biomiméticas recubiertas con membranas de glóbulos rojos para mejorar la circulación y la eliminación de toxinas».
El diseño de nanobiomateriales de próxima generación requiere una ingeniería precisa tanto de las propiedades físicas del material del núcleo como de las propiedades químicas de la superficie del material para cumplir una función biológica. Se desarrolló una tecnología modular y versátil de inspiración biológica para permitir que las nanopartículas poliméricas biodegradables circulen a través de la sangre durante períodos prolongados de tiempo, al mismo tiempo que actúan como un dispositivo de desintoxicación. Para imitar los glóbulos rojos, la biomimética física y química se combina para mejorar la función biológica de los nanomateriales in vitro e in vivo. La forma anisotrópica y el recubrimiento de membrana se sinergizan para resistir la absorción celular y reducir la eliminación de la sangre. Este enfoque mejora las propiedades de desintoxicación de las nanopartículas, mejorando notablemente la supervivencia en un modelo de sepsis en ratones. Las nanopartículas recubiertas con membrana anisotrópica tienen una biodistribución y eficacia terapéutica mejoradas. Estos nanodispositivos biomiméticos biodegradables y sus derivados son prometedores para aplicaciones que van desde agentes de desintoxicación hasta vehículos de suministro de fármacos y sensores biológicos.
Descubrieron que era demasiado difícil diseñar membranas similares a los glóbulos rojos de abajo hacia arriba. Así que intentaron un enfoque de arriba hacia abajo: «el recubrimiento de partículas con membranas celulares derivadas de forma natural eludió este obstáculo». Aun así, tomó algo de tiempo obtener las formas correctas y recubrirlas con material de membrana RBC. Pero una vez que pudieron imitar tanto la forma como la membrana superficial de los glóbulos rojos, «determinaron que la combinación de estas dos características logra una mejora de la eficacia del suministro de fármacos que ninguno de los dos parámetros puede lograr con éxito por sí mismo».
Los nano vasos recubiertos conservaron la flexibilidad que hace que los glóbulos rojos puedan exprimir los capilares más pequeños. Y al imitar las formas anisotrópicas de los glóbulos rojos, el equipo pudo evitar el problema que enfrentan los vasos esféricos, el de la eliminación del torrente sanguíneo. Los vasos que imitan los glóbulos rojos del equipo tenían tres ventajas: flexibilidad, no toxicidad y longevidad. El resultado es «un perfil farmacocinético más favorable y una mayor eficacia terapéutica».
Sinapsis
Puede parecer extraño que las señales neuronales, siendo eléctricas, pasen repetidamente a través de señales químicas a través de huecos, llamadas sinapsis. La prueba del budín está en la eficiencia del sistema. Un lagarto puede deslizarse por una acera de varias longitudes de cuerpo por segundo, moviendo sus extremidades como una mancha, y luego trepar una pared de ladrillos sin interrupción. Los atletas de élite pueden correr los obstáculos más altos como una locomotora, tomando decisiones en una fracción de segundo sobre el movimiento de las extremidades desde el cerebro hasta los dedos de los pies, mientras mantienen los ojos firmes. Recuerde la máxima del DI, «Si funciona, no está sucediendo por accidente».
Dos equipos están investigando el mimetismo de las sinapsis, utilizando interruptores electrónicos llamados memristores en lugar de transistores tradicionales. El Instituto de Tecnología de Massachusetts «Los ingenieros ponen decenas de miles de sinapsis cerebrales artificiales en un solo chip», se jactan:
Los ingenieros del MIT han diseñado un «cerebro en un chip», más pequeño que una pieza de confeti, que está hecho de decenas de miles de sinapsis cerebrales artificiales conocidas como memristores, componentes basados en silicio que imitan las sinapsis de transmisión de información en el cerebro humano.
El equipo está traduciendo sinapsis de un concepto de software a una realidad de hardware. Los memristores imitan las sinapsis moviendo la tecnología estrictamente digital un poco hacia lo analógico, combinando los beneficios de ambos:
Un transistor en un circuito convencional que transmite información al cambiar entre uno de solo dos valores, 0 y 1, y hacerlo solo cuando la señal que recibe, en forma de corriente eléctrica, es de una fuerza particular. En contraste, un memristor funcionaría a lo largo de un gradiente, muy parecido a una sinapsis en el cerebro. La señal que produce variará dependiendo de la intensidad de la señal que recibe. Esto permitiría que un solo memristor tenga muchos valores y, por lo tanto, lleve a cabo una gama de operaciones mucho más amplia que los transistores binarios.
Al igual que las sinapsis, los memristores pueden «recordar» estados anteriores. ¿Cómo se puede aplicar esto? El MIT visualiza inteligencia artificial en movimiento. «Tales circuitos inspirados en el cerebro podrían integrarse en dispositivos pequeños y portátiles, y llevarían a cabo tareas informáticas complejas que solo las supercomputadoras de hoy en día pueden manejar».
Otro grupo que trabaja en memristors como sinapsis artificiales es la Alianza de Investigación Jülich Aachen (JARA) y el grupo tecnológico alemán Heraeus. También ven oro en biomimética:
Las instrucciones de diseño de los investigadores podrían ayudar a aumentar la variedad, la eficiencia, la selectividad y la confiabilidad para las aplicaciones basadas en tecnología memristiva, por ejemplo, para dispositivos de almacenamiento no volátiles de bajo consumo de energía o computadoras con inspiración neurológica.
Un diagrama muestra una comparación entre una sinapsis y un memristor. El pie de foto explica una razón para las sinapsis biológicas:
Las sinapsis, las conexiones entre las neuronas, tienen la capacidad de transmitir señales con diversos grados de fuerza cuando son excitadas por una rápida sucesión de impulsos eléctricos. Un efecto de esta actividad repetida es aumentar la concentración de iones de calcio, con el resultado de que se emiten más neurotransmisores. Dependiendo de la actividad, otros efectos causan cambios estructurales a largo plazo, que afectan la fuerza de la transmisión durante varias horas, o potencialmente incluso por el resto de la vida de la persona.
Las memorias logran un efecto similar al permitir que «la fuerza de la transmisión eléctrica se modifique de manera similar a las conexiones sinápticas, aplicando un voltaje».
Cartílago
La Universidad de Colorado, Denver, describe un diseño más del cuerpo humano que obtuvo imitadores recientemente.
Los tejidos biológicos han evolucionado durante milenios para ser perfectamente optimizados para sus funciones específicas. Tome el cartílago como ejemplo. Es un tejido flexible y elástico que es lo suficientemente suave como para amortiguar las articulaciones, pero lo suficientemente fuerte como para resistir la compresión y soportar la carga sustancial de nuestros cuerpos: clave para correr, saltar y nuestro desgaste diario.
Crear reemplazos sintéticos que realmente coincidan con las propiedades y comportamientos de los tejidos biológicos no ha sido fácil. Pero los científicos de la Universidad de Colorado en Denver, dirigidos por el profesor de ingeniería mecánica Chris Yakacki, PhD, son los primeros en imprimir en 3D una estructura reticular compleja y porosa utilizando elastómeros de cristal líquido (LCE) que crean dispositivos que finalmente pueden imitar el cartílago y otros tejidos biológicos.
La charla evolutiva es despreciable, no aporta nada. Saltando a la carne del artículo, mencionan «capas de complejidad» que los investigadores tuvieron que atravesar para imitar algunas de las propiedades del cartílago. Con una impresora 3-D, tuvieron éxito parcialmente al imprimir estructuras de celosía con forma de panal con una resina similar a la miel que se cura bajo la luz ultravioleta. A medida que aprenden más, piensan que pueden producir material amortiguador para cascos de fútbol y, aún más valioso, implantes biomédicos personalizados para la columna vertebral.
Estos ejemplos, y hay muchos más, deberían ayudarnos a tomarnos un momento para reflexionar sobre el ingenio de nuestras habitaciones terrenales, tanto por dentro como por fuera, y usarlas para el bien.
Foto: Venus de Milo, por Livioandronico2013 / CC BY-SA.
Artículo publicado originalmente en inglés por Evolution News and Science Today
