Biónica y la reinvención de lo natural

La clave de la protésica del futuro radica en el perfeccionamiento de la inteligencia artificial

CUAUHTEMOC VALDIOSERA R.

Biónica es una contracción de biología y electrónica, es un capítulo de la bioingeniería, nombre de la disciplina que trata de la utilidad tecnológica artificial de los resultados obtenidos por la evolución biológica natural.

En la práctica, la biónica se ha extendido a temas mecánicos como prótesis, etcétera. Tiene un amplio campo en común con la inteligencia artificial. En general, la tarea de la biónica es el análisis de las estructuras y de los procesos biológicos y de su síntesis técnica en construcciones basadas en la electrónica y mecánica, que dominan actualmente el escenario tecnológico de última generación.

La biónica, cuyo fin es proporcionar la ayuda necesaria para sustituir miembros superiores o inferiores por materiales tecnológicos capaces de simular los movimientos corporales a la perfección, ha sido el gran auge de la tecnología en los tiempos recientes, pero esta ciencia es tan antigua como el hombre, ya que consciente o inconscientemente la hemos usado desde la prehistoria hasta nuestros días. Pero no fue hasta 1960 cuando hubo una definición concreta del término, que sigue siendo válida hoy en día y que acuñó el comandante Jack Steele, de la Fuerza Aérea de Estados Unidos: es el funcionamiento real de los sistemas vivos y, una vez descubiertos sus trucos, materializarlos en los aparatos.

Sin duda, la medicina es uno de los campos donde el diseño, desarrollo y construcción de dispositivos artificiales, emuladores del comportamiento, desempeño morfológico y funcional de los sistemas biológicos, ha tenido gran impacto. La idea básica de la biónica parte de suponer la validez de la evolución, la coevolución y la autoorganización en biología. Las técnicas de la vida están optimizadas para los nichos existentes y forman un conjunto coherente, donde cada parte juega su papel. Muchas veces los sistemas complejos se autoorganizan, otras veces fallan.

En la vida los procesos que no se autoorganizan eficientemente suelen ser podados por la selección natural. Con esto se logran soluciones resultantes de combinaciones de mecanismos múltiples, que sirven de inspiración al ingeniero. El típico ingeniero está educado para construir dispositivos con un solo objetivo, eliminar lo “inútil”, para no confundirse en su tarea. No suele pensar que ese dispositivo, ya hecho, pueda servir para otra cosa, con lo cual para la otra cosa comienza desde el principio con un artefacto satisfactorio y adoptado a su meta práctica.

En cambio, la vida, con tantas generaciones por delante, aprovecha tarde o temprano los mecanismos “inútiles” para una nueva actividad, aunque útiles para otras, o bien obsoletas por tratarse de soluciones ya superadas por cambios en el nicho. Son dos maneras muy diferentes de encarar la ingeniería. Algunos diseños y soluciones basados en sistemas integrados, hallados por la vida, pueden ser excepcionalmente útiles aplicados a los problemas prácticos.

Dicen los expertos que la clave de la protésica del futuro radica en el perfeccionamiento de la inteligencia artificial (AI, por sus siglas en inglés). La integración de la tecnología informática en los diseños de prótesis no es un concepto nuevo. La inteligencia artificial ya se utiliza en rodillas de fácil ajuste; fabricantes como Otto Bock, Seattle Systems y Endolite han realizado progresos en esta área. Las manos artificiales se fabrican ahora con sensores en las yemas de los dedos para controlar la fuerza de agarre.

Existen otras muchas posibles aplicaciones. Por ejemplo, se está realizando una investigación sobre sensores insertados en los forros para encajes, que unen la prótesis a la extremidad residual y se adaptan automáticamente a la fluctuación del volumen corporal. Los encajes de fácil ajuste podrían hacer que la prótesis fuese más cómoda y prevenir llagas, cardenales y otras complicaciones. Una tecnología de sensores parecida a ésta también podría conseguir que los pies artificiales se tensaran y relajaran para adaptarse a la variación de la resistencia y la velocidad, y así hacer posible el uso de una misma prótesis para realizar varias actividades.

El mayor obstáculo aún por superar es reproducir la complejidad de todos los movimientos de una extremidad con el uso de la tecnología actual. Aunque se ha progresado mucho, hay varios factores relacionados entre sí que todavía tienen que solucionarse, como la fuerza, la velocidad de reacción, la amplitud de movimiento, el peso y la durabilidad. El principal objetivo a la hora de resolver estos problemas es la integración total.

La bioingeniería

Por bioingeniería se entiende el diseño de modelos y dispositivos que imitan o se inspiran en “inventos” de la vida. Algunos de sus logros sirven de prótesis o material de recambio (marcapasos, riñones artificiales, audífonos, dializadores, etcétera). Este notable conjunto se denomina “bioingeniería médica”. Otros logros son equipos y procesos donde mediante la propagación de pequeñísimos seres vivos se pueden generar productos interesantes para el hombre (antibióticos, alimentos, bebidas, enzimas, productos industriales obtenidos por fermentación, cultivos celulares, tisulares y parenquimáticos). Estos casos son los de la “bioingeniería de las fermentaciones” y de cultivos de células o similares, que considera el diseño y operación de biorreactores donde una de las etapas es la propagación de seres vivos (antibióticos, etcétera).

La “ingeniería genética”, que manipula el mensaje genético, es la más espectacular de estas aplicaciones. La “ingeniería enzimática” se preocupa del diseño y manejo de biorreactores donde las enzimas (fabricadas de antemano) tienen el papel principal (por ejemplo, en la fabricación de jarabes de alta fructosa).

Los términos “ingeniería de los tejidos” o “bioingeniería de los tejidos” se refieren a métodos parecidos a los de fermentación y de cultivos de células y tejidos, para el logro de tejidos útiles para su empleo en medicina y en veterinaria, métodos que también pretenden lograr el crecimiento de secciones para el remplazo de órganos a partir, por ejemplo, de tejidos de mamíferos prenatales. Los métodos se aplican al obtener piel, cartílago, hígado, sistema vascular, páncreas y hueso.

Se experimenta con materiales craneofaciales orales y dentales (especialidad denominada biomimética) y con combinaciones piel-músculo-esqueletales. La creación de esos tejidos en laboratorio o instalaciones bioindustriales sirve para aumentar un tejido normal, para remplazar un tejido enfermo o estimular el desarrollo frenado de un tejido específico.

Dado que muchos científicos y tecnólogos buscan las intimidades de animales y plantas para inspirarse en la creación de nuevos materiales y estructuras, se ha originado la disciplina “biomimética”, que considera esa sistemática en conjunto. Así, algunos estudian las vías metabólicas de formación de compuestos químicos naturales interesantes, como fuente de inspiración, para su imitación. Otros imitan la porosidad de los huesos, los adhesivos de los moluscos, el mecanismo de secado de un tejido de ala de insectos, etcétera. Este es el punto de partida del desarrollo “creativo” de novedades útiles.

El diseño adaptativo conjuga la ciencia y tecnología de los movimientos que pueden ejecutar animales simples y complejos para armonizar con sus restricciones anatómicas de un organismo que se mueve autónomamente; permite la ejecución de ciertas secuencias esqueleto-musculares y prohíbe ciertos movimientos “imposibles”. Los movimientos tienen una fuerte relación con outputs cerebrales, sobre todo en el caso de manos que escriben signos y dibujos, que ya escapan a los límites de la biomecánica propiamente dicha. Cualquier restricción corporal está restringida por las posibilidades biomecánicas.

La escuela de Randall Beer, denominada de la neuroetología computacional, se introduce en el campo de las leyes del movimiento biológico y de las relaciones entre la biomecánica y los movimientos ejecutables por robots autónomos.

En el año 2000, el doctor Miguel Nicolelis, neurobiólogo del Centro Médico de la Universidad Duke, adiestró a un mono a mover un brazo robótico con pensamientos transmitidos mediante electrodos implantados en el cerebro. Recientes experimentos demuestran que esta técnica puede funcionar también en seres humanos.

En México también se elaboran productos biónicos. Estrictamente hablando, en el área de la salud, se hacen desarrollos en la Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Tecnologías Avanzadas, en la Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología y en la sección de bioelectrónica del departamento de Ingeniería Eléctrica del Centro de Investigación y Estudios Avanzados (Cinvestav), todos del Instituto Politécnico Nacional, así como en el departamento de Semiconductores y Microelectrónica de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, en el Centro de Rehabilitación DIF Iztapalapa, el departamento de Instrumentación del Instituto Nacional de Cardiología, en la Universidad Autónoma Metropolitana campus Iztapalapa, en la Universidad Iberoamericana y en la Universidad Panamericana, entre otros.

http://www.universia.net.mx/index.php/news_user/content/view/full/36056/