Biomimética

Diseño por naturaleza

¿Qué tiene aletas de ballena, piel de lagarto y ojos de polilla? El futuro de la ingeniería.

Un despejado día de mediados de febrero, durante el verano australiano, el biólogo evolucionista Andrew Parker se arrodilló en la candente arena roja del desierto, al sur de Alice Springs, e introdujo cuidadosamente la pata trasera derecha de un diablillo espinoso (Moloch horridus) en un plato de agua. La maniobra no era tan riesgosa como parece: aunque cubierto de agudas espinas, el reptil medía apenas dos centímetros de altura hasta la cruz y miraba con temor a Parker, como un bebé dinosaurio que ha perdido a su madre. Resultaba casi demasiado encantador para aquel riguroso entorno, hogar de un porcentaje alarmantemente alto de las serpientes más venenosas del mundo, como la taipán del interior (Oxyuranus microlepidotus), capaz de matar a cien personas con 30 gramos de su veneno, y la víbora de la muerte del desierto (Acanthophis pyrrhus), cuyo nombre lo dice todo; un lugar donde el viento silba entre los árboles mulga (Acacia aneura) como una secadora de cabello en la máxima potencia, y el Sol luce tres veces más grande que en las regiones templadas. Recordatorios constantes de que ahí, en la más árida región del continente habitado más árido del mundo, es mejor contar con un buen plan para encontrar el siguiente sorbo de agua.

Esto bien lo sabe el diablillo espinoso y lo demuestra con una elegancia y una certidumbre que cautivan a Parker al extremo de olvidar el peligro de las serpientes y la insolación. “¡Mira, mira! –exclama–. ¡Tiene el lomo completamente empapado!”. En efecto, luego de 30 segundos, el agua del plato ha subido por la extremidad del lagarto y reluce en la erizada piel. Poco después, el líquido llega al hocico y el reptil abre y cierra la boca con evidente satisfacción. Lo que acaba de hacer es, en esencia, beber por la pata. Con más tiempo, el diablillo espinoso podría realizar el mismo truco en un pequeño espacio de arena húmeda –ventaja competitiva vital en el desierto–. Parker ha viajado hasta allí para descubrir exactamente cómo lo hace, mas no por simple curiosidad biológica, sino con un objetivo muy concreto: crear un dispositivo inspirado en el diablillo espinoso que ayude a la gente a colectar agua en el desierto.

“Su piel es mucho más hidrófoba de lo que pensé. Bien puede ser que haya capilares ocultos que conducen el agua hacia la boca”. Luego de concluir su último experimento, recogimos su equipo y regresamos a la Land Cruiser. Cuando el pequeño lagarto nos ve partir, parece tener un aire de aflicción. “Haber visto al diablillo en su ambiente natural fue decisivo para comprender la naturaleza de sus adaptaciones, la textura de la arena, la cantidad de sombra, la calidad de la luz –comenta Parker mientras conducimos de regreso al campamento–. Hemos hecho el trabajo macroscópico. Ahora estoy listo para estudiar la estructura microscópica de su piel”. Miembro del equipo de investigadores del Museo de Historia Natural de Londres y de la Universidad de Sydney, Parker es un importante defensor de la Biomimética, la aplicación de diseños naturales para resolver problemas de ingeniería, ciencia de materiales, medicina y otros campos. Ha investigado la iridiscencia de mariposas y escarabajos, así como el recubrimiento antirreflectante de los ojos de las polillas, estudios que han dado resultado en pantallas más brillantes para teléfonos celulares y técnicas contra la falsificación tan secretas que no puede siquiera divulgar el nombre de la compañía responsable del desarrollo. Incluso se inspira en el pasado de la naturaleza: al estudiar el ojo de una mosca de 45 millones de años atrapada en ámbar, parte de la colección de un museo de Varsovia, Polonia, detectó estrías microscópicas que reducían la reflexión de la luz, un elemento que se está integrando en los paneles solares.

El trabajo de Parker no es más que una pequeña parte del activo movimiento de la biomimética mundial. Ingenieros de Bath, Inglaterra, y West Chester, Pensilvania, analizan los abultamientos en el borde anterior de las aletas del ballena jorobada con miras a diseñar alas que permitan un vuelo más ágil. En Berlín, Alemania, las plumas primarias dactiloformes de las aves de presa inspiran a los ingenieros en el desarrollo de alas que puedan cambiar de forma en las alturas para reducir la resistencia y mejorar el rendimiento de combustible. Arquitectos de Zimbabwe estudian a las termitas para averiguar cómo controlan la temperatura, la humedad y el flujo de aire en sus nidos, para construir edificios más cómodos, mientras que investigadores médicos japoneses reducen el dolor de las inyecciones con agujas hipodérmicas de filo microserrado, parecidas a la probóscide del mosquito, que minimiza la estimulación nerviosa.

“La Biomimética introduce toda una serie de nuevas herramientas e ideas que de otro modo no tendríamos”, asevera el científico de materiales Michael Rubner, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), donde la biomimética ya forma parte del plan de estudios. “Ahora se ha integrado a nuestra cultura de grupo”.

Poco después de nuestro viaje al desierto australiano volví a reunirme con Andrew Parker, esta vez en Londres, para observar la siguiente etapa de su investigación del diablillo espinoso. Mientras caminábamos desde la entrada del Museo de Historia Natural hasta su laboratorio en el sexto piso, cruzamos salones amplios como bodegas repletos de la más exuberante variedad de organismos en conservación. En uno había frascos de alcohol tan grandes que llegaban a la cintura y contenían nutrias marinas haciendo muecas, pitones, hormigueros espinosos equidnas y walabies, así como un cajón de 20 metros de largo que albergaba un calamar gigante.

Para Parker, aquello no era sólo una colección de especímenes, sino “un tesoro de geniales diseños”. Cada especie, incluso las extintas, representa una historia de éxito perfeccionada a través de millones de años de selección natural. ¿Por qué no aprender de lo que ha creado la evolución? Mientras recorríamos los salones, Parker explicó que los brillos metálicos y deslumbrantes colores de las aves tropicales y los escarabajos no son el resultado de pigmentos, sino de la manera en que nuestros ojos interpretan la reflexión de la luz: microestructuras cuidadosamente espaciadas que reflejan ondas de luz específicas. Esas estructuras sobre la superficie de objetos que afectan la manera en que vemos el color, que nunca se destiñen y son más intensas que el pigmento, son de gran interés para los fabricantes de pinturas, cosméticos y los pequeños hologramas de las tarjetas de crédito. El pico del tucán es un excelente ejemplo de fuerza y ligereza (puede romper nueces, pero a la vez es lo bastante liviano para no comprometer el vuelo del ave), mientras que las púas del erizo y del puerco espín son maravillas de resistencia y economía estructural. La seda de la araña es mucho más dúctil y cinco veces más resistente en relación con su peso que el acero de mayor grado. La luciérnaga produce luz fría con una pérdida de energía casi nula (una bombilla incandescente normal desperdicia 98.% de su energía en forma de calor) y en su parte trasera, los escarabajos bombarderos (Carabidae) poseen una cámara de combustión muy eficaz que dispara sustancias químicas hirvientes contra los posibles depredadores. El escarabajo Melanophila, que desova en madera recién quemada, ha desarrollado una estructura capaz de detectar la radiación infrarroja exacta que produce un incendio forestal y ubicarlo a cientos de kilómetros de distancia. La Fuerza Aérea de EUA está explorando ese talento.

“Podríamos recorrer estas habitaciones y encontrar 50 proyectos de biomimética en media hora –afirmó Parker–. Trato de no pasar por aquí en las tardes, porque me dejo llevar y acabo trabajando hasta medianoche”.

Durante una de esas creativas sesiones nocturnas, hace ocho años, Parker decidió investigar la capacidad para colectar agua de un escarabajo del desierto, para lo cual construyó una enorme duna de arena en su laboratorio. Este escarabajo tenebriónido vive en el Desierto de Namibia, en el suroeste de África, uno de los ambientes más áridos y calurosos del mundo; bebe recogiendo la humedad de la niebla matutina, para lo cual se vuelve de cara al viento y levanta la parte posterior del cuerpo, donde unos abultamientos hidrófilos atrapan la bruma condensándola en gotas más grandes que resbalan por unos canales cerosos e hidrófobos situados entre dichos abultamientos y que conducen el agua a la boca.

Parker importó varias docenas de escarabajos de Namibia, los cuales comenzaron a correr por todo el laboratorio tan pronto abrió la caja, hasta que se establecieron, satisfechos, en la duna. Una vez ahí, usando varios humidificadores, una secadora de pelo y rociadores, Parker simuló las condiciones del desierto de Namibia con suficiente precisión para entender el mecanismo de los escarabajos. Luego reprodujo el sistema en un portaobjetos, con diminutas cuentas de vidrio en vez de abultamientos, y cera como canales.

A pesar de la sofisticación de la naturaleza, muchos de sus diseños más ingeniosos utilizan materiales simples como queratina, carbonato de calcio y sílice, los cuales manipula para crear estructuras de complejidad, fuerza y resistencia fantásticas. Por ejemplo, el abulón produce su concha con carbonato de calcio, la misma sustancia de la blanda tiza. Sin embargo, al acomodar este material en paredes de ladrillos escalonados a nanoescala y gracias a una sutil interacción proteínica, crea una armadura tan resistente como el Kevlar y 3 000 veces más dura que la tiza. Entender las estructuras de microescala y nanoescala de las cuales dependen las excepcionales propiedades de la materia viva es esencial para hacer una recreación sintética. De modo que hoy, Andrew Parker ha hecho preparativos para ver la piel de un ejemplar de diablillo espinoso del museo bajo un microscopio electrónico de barrido, con la esperanza de detectar las estructuras ocultas que le permiten absorber y conducir el agua de manera tan eficaz.

A mitad del recorrido por la prominencia, el biólogo notó una serie de nódulos organizados en hileras que parecían disminuir en tamaño hasta llegar a una estructura de recolección de agua. Por último, nos introdujimos en una fisura en la base de la púa y encontramos un campo con aspecto de colmena compuesto por muescas, cada una de 25 micrómetros de ancho.

“¡Ah-ja! –exclamó Parker, como Sherlock Holmes al descubrir una pista–. Es, obviamente, una superficie superhidrófoba para conducir agua entre las escamas”. El examen ulterior de la piel del diablillo espinoso con un instrumento llamado escáner de microtomografía computarizada confirmó su teoría y reveló diminutos capilares entre las escamas que, a todas luces, tenían la función de conducir el agua hasta la boca del lagarto. “Creo que hemos desentrañado bastante bien la estructura del diablillo espinoso –declaró–. Estamos listos para elaborar el prototipo”.

Entran los ingenieros. El siguiente paso en su cruzada para crear un dispositivo de recolección de agua inspirado en el lagarto fue enviar sus observaciones y resultados experimentales a Michael Rubner y su colega Robert Cohen, ingeniero químico del MIT, con quienes ha colaborado en varios proyectos de biomimética. La comunión entre las observaciones biológicas y el pragmatismo de la ingeniería es fundamental para el éxito de la Biomimética, y en el caso de Parker, Rubner y Cohen, ha conducido a varias aplicaciones prometedoras inspiradas en el escarabajo de Namibia y otros insectos. Así, esperan, en breve, crear una superficie sintética inspirada en la piel del diablillo espinoso.

Aunque, impresionados por las estructuras biológicas, Cohen y Rubner consideran que la naturaleza no es más que el punto de partida para la innovación. “No hace falta reproducir la piel de un lagarto para desarrollar un dispositivo recolector de agua, o el ojo de una polilla para crear un recubrimiento antirreflectante –apunta Cohen–. La estructura natural ofrece pistas respecto a lo que es útil en un mecanismo, pero quizá sea posible mejorarlo”. Lo aprendido con el diablillo espinoso podría enriquecer la tecnología de captación de agua que han desarrollado basados en la microestructura del escarabajo de Namibia, con la cual trabajan para producir materiales para recolección de agua, pinturas resistentes al graffiti, y superficies autodescontaminantes, para cocinas y hospitales. O bien, la investigación puede llevarlos hacia direcciones completamente nuevas. En última instancia, consideran que un proyecto de biomimética sólo es exitoso cuando ofrece el potencial para originar una herramienta útil para la gente.

Esto último, por supuesto, es lo difícil. Una de las representaciones potencialmente más útiles del diseño natural es el robot de inspiración biológica, el cual podría desplegarse en lugares donde las personas resultaran demasiado conspicuas, se aburrieran tremendamente o corrieran el riesgo de morir. Sin embargo, dichos robots son en extremo difíciles de construir. Ronald Fearing, profesor de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de California, Berkeley, ha aceptado uno de los retos más grandes de todos: crear una mosca robot en miniatura que sea rápida, pequeña y lo bastante maniobrable para utilizarla en operaciones de vigilancia o de búsqueda y rescate.

Si un moscardón hubiese entrado zumbando en la oficina de Fearing cuando nos sentamos a charlar por primera vez en una cálida tarde de marzo, con las ventanas abiertas hacia el cuidado campus de Berkeley, lo habría ahuyentado de un manotazo sin pensarlo dos veces. Pero luego de que Fearing concluyera su explicación del porqué había elegido al insecto como modelo para su aeronave en miniatura, me habría postrado para rendir pleitesía al bicho. Con alas que baten 150 veces por segundo, es capaz de permanecer suspendido en el aire, elevarse y lanzarse en picada con asombrosa agilidad. Durante un vuelo en línea recta puede girar 90.º en menos de 50 milisegundos, maniobra que haría trizas a un caza Stealth.

La clave para lograr que el insecto volador micromecánico (MFI, por sus siglas en inglés) funcione, explicó Fearing, no estriba en intentar copiar el vuelo sino en aislar las estructuras cruciales para sus destrezas y encontrar opciones más simples (y quizá mejores) para efectuar operaciones muy complejas. “Hay 20 músculos que controlan el ala de la mosca, algunos de los cuales sólo se contraen cada cinco aleteos, lo que es desconcertante para los científicos –agrega Fearing–. Algunas cosas son demasiado misteriosas y complicadas para reproducirlas”.

Después de que Michael Dickinson, neurobiólogo de CalTech, utilizara alas de plástico de 30 centímetros de longitud batiendo en dos toneladas de aceite mineral para demostrar la manera en que el aleteo en “U” de la mosca le permitía mantenerse en el aire, Fearing redujo la compleja articulación del ala a algo que él mismo pudiera fabricar, y fue así como diseñó un dispositivo semejante a un minúsculo diferencial de automóvil que, si bien carece de la mística poesía de los 20 músculos de la mosca, puede producir aleteos en “U” a gran velocidad. Para impulsar el ala necesitó mandos piezoeléctricos que, a frecuencias altas, pueden generar más potencia que los músculos de la mosca. No obstante, cuando pidió a diversos mecánicos que le fabricaran un mando de 10 miligramos, por respuesta obtuvo miradas de incredulidad. “Muchos dijeron: ‘¡Por Dios! Puedo hacerle uno de 10 gramos’, el cual sería más grande que toda nuestra mosca”. Así, Fearing procedió a fabricar su propio mando, mismo que me mostró con unas tenacillas: una varita de escasos 11 milímetros de largo y apenas más gruesa que el bigote de un gato. Fearing se ha visto obligado a fabricar muchos de los diminutos componentes de su mosca.

Con el microláser corta las alas de la mosca de una lámina de poliéster de dos micras, tan delicada que se arruga tan sólo por respirar sobre ella, de modo que debe reforzarla con varillas de fibra de carbono. Las alas del modelo más reciente baten 275 veces por segundo (más rápido que las del insecto real) y emite el zumbido característico del moscardón. “La fibra de carbono es superior a la quitina de la mosca”, afirmó con un dejo de orgullo. Me enseñó entonces una caja protectora de plástico en la banca del laboratorio, donde se encontraba la mosca robot en persona: un delicado armazón, parecido a una figura de origami, hecha de fibra de carbono y delicados cables del grueso de un cabello que, como cabe suponer, en nada se parecía a una mosca de verdad. Un mes después de nuestra entrevista, hizo que despegara en un vuelo controlado. Fearing espera que, en dos o tres años, la mosca robot pueda permanecer suspendida en el aire y a la larga, volar con el virtuosismo de una mosca real.

Para observar un robot biomimético en pleno funcionamiento –o al menos, algo parecido– sólo tuve que cruzar la bahía para ir a Palo Alto. Desde el siglo V a.C., cuando Aristóteles expresó su admiración por la capacidad de un gecko para “subir y bajar por un árbol en cualquier posición, incluso con la cabeza hacia abajo”, la gente se ha preguntado cómo el pequeño lagarto logra desafiar a la gravedad, de modo que hace dos años Mark Cutkosky, experto en robótica de la Universidad de Stanford, se dio a la tarea de desentrañar el misterio con un trepador inspirado en el gecko, al cual impuso el nombre de Stickybot.

En realidad, las patas del gecko no son pegajosas, sino secas y lisas al tacto, y deben su admirable adhesividad a unos dos mil millones de filamentos con terminaciones en espátula distribuidos en cada centímetro cuadrado de los cojinetes de los dedos. Cada filamento, de sólo 100 nanómetros de grosor, es tan pequeño que interactúa en el ámbito molecular con la superficie por donde camina el lagarto, y aprovecha las fuerzas de van der Waals de bajo nivel generadas por las efímeras cargas positivas y negativas de las moléculas, causando la atracción de dos objetos adyacentes cualesquiera. Para desarrollar los cojinetes de los dedos del Stickybot, Cutkosky y el estudiante de doctorado Sangbae Kim, principal diseñador del robot, produjeron una tela de uretano con minúsculas cerdas que terminan en puntas de 30 micras. Aunque no son tan flexibles y adherentes como las del propio reptil, pueden sostener al robot de 500 gramos en una superficie vertical.

Sin embargo, Cutkosky descubrió que la adhesión es sólo una parte del truco del gecko. Para moverse con rapidez (el animal es capaz de subir por una superficie vertical a una velocidad de un metro por segundo) sus patas también deben despegarse sin el menor esfuerzo y de manera instantánea. Con el objeto de entender mejor el proceso, Cutkosky pidió ayuda a los biólogos Bob Full, experto en locomoción animal, y Kellar Autumn, probablemente la máxima autoridad mundial en el tema de la adhesividad del gecko. Mediante minuciosos estudios anatómicos, pruebas de fuerza con vellosidades individuales y análisis en cámara lenta de la carrera de este animal sobre una banda vertical, Full y Autumn descubrieron que la adhesión es direccional; es decir, los dedos sólo se adhieren cuando los arrastra hacia abajo y se sueltan al invertir la dirección de la tracción. Con base en este principio, Cutkosky equipó a su robot con dedos de siete segmentos que se arrastran y sueltan como los del reptil. Luego, en un artículo sobre la anatomía del gecko, notó que el reptil tenía tendones ramificados para distribuir su peso de manera homogénea en toda la superficie de los dedos. ¡Eureka! “Cuando vi aquello, pensé: ‘¡Vaya, es fantástico!’”, y procedió a integrar un “tendón” de tela de poliéster en las extremidades del robot, a fin de distribuir su carga de la misma manera.

Ahora, Stickybot puede trepar por superficies verticales de vidrio, plástico y azulejo de cerámica vidriada, aunque pasará algún tiempo antes de que logre competir con un gecko real. Por el momento, sólo se desplaza sobre superficies lisas a escasos cuatro centímetros por segundo, una fracción de la velocidad de su arquetipo biológico. El adhesivo seco que recubre los dedos del Stickybot tampoco se elimina por sí solo como ocurre con el lagarto, de manera que rápidamente se cubre de suciedad. “El gecko posee muchas características que tuvimos que pasar por alto”, reconoce Cutkosky. No obstante, ya se están produciendo varias aplicaciones en el mundo real. La Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (DARPA, por sus siglas en inglés), organismo del Departamento de Defensa estadounidense, que patrocina el proyecto, está considerando a Stickybot para operaciones de vigilancia: un autómata que pueda trepar sigilosamente por un edificio y permanecer ahí horas o días monitoreando el terreno desde las alturas. Cutkosky, por su parte, ha visualizado muchas otras aplicaciones civiles. “Estoy tratando de llevar a los robots adonde jamás han llegado”, dijo.

Pese al poder del paradigma de la biomimética y los brillantes individuos que la practican, la inspiración biológica ha dado origen a muy pocos dispositivos de producción masiva y posiblemente sólo uno de uso mundial: el velcro, inventado en 1948 por el químico suizo George de Mestral, quien copió el mecanismo en que las semillas con espinas ganchudas del cadillo se pegaban al pelaje de su perro. Además del laboratorio de Cutkosky, otros cinco equipos de investigación están tratando de imitar la adhesión del gecko, aunque hasta ahora ninguno ha conseguido reproducir la sujeción direccional y autolimpiadora del lagarto. Del mismo modo, los científicos todavía no consiguen recrear, de una manera que sea aplicable, la nanoestructura que explica la fuerza de la concha de abulón; y no obstante sus abundantes fondos, varias empresas de biotecnología han ido a la quiebra tratando de producir seda de araña artificial. ¿Por qué?

Algunos especialistas en biomimética responsabilizan a la industria, que abriga expectativas de corto plazo en torno al tiempo de conclusión y la rentabilidad de un proyecto, las cuales chocan contra la inevitable lentitud de la investigación en biomimética. Otros se lamentan por las dificultades para coordinar el trabajo conjunto de distintas disciplinas académicas e industriales, indispensable para entender las estructuras naturales y reproducir sus acciones. Sin embargo, la razón principal por la cual la biomimética no ha alcanzado plena madurez es que, desde la perspectiva de la ingeniería, el mundo natural es extraordinariamente complejo. La evolución no “diseña” el ala de una mosca o la pata de un lagarto para lograr un objetivo final, como haría un ingeniero; simplemente improvisa con infinidad de experimentos aleatorios a lo largo de miles de generaciones, lo que da por resultado organismos que no son perfectamente funcionales, cuya única finalidad es vivir el tiempo suficiente para producir la siguiente generación y dar inicio a una nueva ronda de experimentos aleatorios. Para hacer tan dura la concha del abulón, 15 proteínas interpretan una danza cuidadosamente coreografiada aún incomprensible para varios equipos de científicos. El poder de la seda de araña radica no sólo en la mezcla de proteínas que la componen, sino en los misterios de los órganos productores de seda, donde 600 glándulas secretoras denominadas hileras crean siete tipos diferentes de seda en configuraciones muy resistentes.

Los múltiples niveles de gran parte de los diseños de la ingeniería natural dificultan su comprensión e individualización. Por ahora, nadie puede tener la esperanza de reproducir nanoacertijos tan complejos. Sin embargo, la naturaleza los monta con gran facilidad siguiendo la receta de complejidad codificada en el ADN. En palabras del ingeniero Mark Cutkosky: “El precio que pagamos por la complejidad a pequeñas escalas es mucho mayor que el que paga la naturaleza”.

No obstante, la brecha con la naturaleza se cierra poco a poco. Diversos investigadores utilizan microscopios electrónicos y atómicos, microtomografías y computadoras de alta velocidad para ver cada vez más de cerca los secretos de la naturaleza en micro y nanoescala, y una gama creciente de materiales avanzados para imitarlos con mayor exactitud que nunca antes. E incluso antes de alcanzar su madurez como una industria comercial, la biomimética se ha convertido ya en una nueva y poderosa herramienta para entender la vida. Bob Full, experto en locomoción animal, de Berkeley, aplica lo que aprende a la construcción de robots que corren, escalan y se arrastran y estos, a su vez, le han enseñado ciertas reglas fundamentales del movimiento animal. Por ejemplo, ha descubierto que todo criatura terrestre, desde el ciempiés hasta el canguro pasando por el hombre, posee exactamente la misma resistencia en las extremidades y genera idéntica energía relativa al correr. Kellar Autumn, especialista en la adhesividad del gecko y antiguo estudiante de Full, suele tomar prestadas partes del Stickybot de Cutkosky para compararlas con las estructuras naturales del lagarto y poner a prueba suposiciones básicas sobre su biología, las cuales no pueden esclarecerse directamente con el animal.

“No es problema aplicar una precarga de 0.2 de newtons a un parche de adhesivo de gecko y arrastrarlo en dirección distal a un micrómetro por segundo –señala Autumn–. Pero pídale al reptil que haga lo mismo con su pata y probablemente lo morderá”.