Biofísica High Tech

BIOFÍSICA HIGH-TECH

 

En 1987, el grupo británico The Smiths escribía en la letra de su canción ‘Ask’ la frase ‘nature is a language, can’t you read?’. La Naturaleza es un lenguaje, ¿no sabes leer?. La larga marcha de la evolución de las especies ha generado mecanismos de supervivencia con los que la última tecnología desarrollada por el hombre no puede por menos que sonrojarse al ser puesta en evidencia. Hermosas curas de humildad para todos los que trabajamos en desarrollos tecnológicos. Quizás el ejemplo más conocido sea el diseño de la cabinas de los Boeing 747 Jumbo a imagen y semejanza de la cabeza de los delfines. Sin embargo esto no es más que una pequeña punta del iceberg de otros muchos extraordinarios mecanismos naturales.

 

Nuestra relación con el mundo que nos rodea depende de mecanismos como el equilibrio, la visión o uno más simple, el que nos permite caminar erguidos, que pueden encontrarse en desarrollos tecnológicos más o menos recientes. Hasta que no tratamos de reproducir estos mecanismos no somos realmente conscientes de la complejidad que entrañan. Incluso especies ya extintas como el antecesor de los pájaros, Archaeopteryx, pueden enseñarnos desde el Jurásico, hace 150 millones de años, tecnología aeronáutica.

 

El equilibrio dinámico

 

Cuando un niño comienza a dar sus primeros pasos, quizás el proceso menos importante sea el desarrollo de la musculatura necesaria para soportar su peso. Durante ese tiempo su cerebro está estableciendo millones de sinápsis en un proceso de aprendizaje vertiginoso para desarrollar el sistema de control más extraordinario jamás conocido: el equilibrio.

 

Los sistemas electrónicos de control realizan una tarea similar y los modernos aprenden por si mismos, pero están muy lejos de esa complejidad. Estos sistemas estudian las relaciones causa-efecto, de modo que introducen una señal de entrada y observan la salida. Comparándola con el objetivo fijado, corrigen – se dirá realimentan- con esta información la entrada para producir el efecto deseado. Los reguladores PID –proporcional-integral-diferencial- no miden únicamente la salida, sino su evolución pasada y futura, para establecer un control más efectivo y de respuesta más rápida, algo fundamental cuando se trata de equilibrio, sobre todo cuando éste es dinámico, en movimiento.

 

El cuerpo y la mente humana, son capaces de procesar cientos de miles de entradas referentes a la posición que ocupamos en el espacio y producir cientos de miles de señales de respuesta muscular, algo que los sistema artificiales están muy lejos de poder hacer. Durante los primeros años de vida la velocidad de aprendizaje -estableciendo sinápsis- es extraordinaria, pero este proceso no termina nunca. El sistema del equilibrio evoluciona constantemente, y puede ser mejorado con el ejercicio físico y deportes como la gimnasia artística o la escalada.

 

La óptica imperfecta

 

Cuando un rayo de luz cambia de medio atravesando una superficie, si no lo hace de forma perpendicular a la misma, sufre una desviación en su dirección conocida como refracción. La óptica física aprovecha esta propiedad para diseñar lentes y construir telescopios, objetivos fotográficos, o el ejemplo más sencillo, la lupa. Sin embargo el desvío que se produce es función de la longitud de onda de la luz, y así diferentes colores sufrirán una diferente refracción. Este fenómeno, denominado aberración cromática, produce efectos tan hermosos como el arco iris, pero tratándose de instrumentos ópticos de observación y medida es indeseable, por cuanto las diferentes frecuencias son enfocadas a diferentes distancias, y aparecen imágenes difusas.

 

En 1729, Chester Moore Hall encontró una solución a este problema mediante el uso dos diferentes tipos de vidrio –de Crown y de Flint-, produciendo un conjunto con una lente convexa y una cóncava que compensaban este defecto. Tratando de evitar que alguien se adelantase a su descubrimiento encargó cada una de ellas a un fabricante distinto, pero con la mala suerte de que éstos a su vez lo subcontrataron al mismo, que se dio cuenta de lo que pretendía y así, fue el óptico londinense John Dollond quien patentó el invento y quien obtuvo beneficio económico del mismo, siendo el fabricante de telescopios más reputado de la época.

 

Recientes estudios de científicos españoles y americanos[1], sugieren que la óptica de la visión humana corrige también este problema. Además de la aberración cromática, las lentes tienen otros defectos, y las medidas de refracción realizadas con varios individuos indican que unas imperfecciones compensan las otras. De este modo, los conos encargados en la retina de tomar imágenes para las longitudes de onda de los diferentes colores alcanzan la misma resolución espacial, apareciendo todas ellas enfocadas correctamente.

 

El vuelo de Archaeopteryx

 

Una cuestión que suscitado una cierta controversia entre los paleontólogos es la posibilidad del que el Archaeopteryx pudiese o no volar, y si lo hacia en carrera desde el suelo o desde los árboles.

 

Cuando un avión reduce su velocidad para despegar o para tomar tierra, al hacerlo pierde parte de la fuerza de sustentación que lo mantiene en el aire, que deberá aumentar de algún otro modo. Además de la velocidad, el principal factor de que depende la sustentación es el ángulo que forma la corriente aire con el ala, el ángulo de ataque. Para ello los aviones despliegan en la parte trasera del ala –borde de salida-, un dispositivo hipersustentador o flap. Con ello, además de ganar superficie, aumentan considerablemente el ángulo de ataque. Este efecto puede observarse también en el aterrizaje de la aves en general y de las rapaces en particular, desplegando las largas plumas del borde del ala e inclinándolas más respecto al suelo.

 

Sin embargo todo este mecanismo aerodinámico depende de que siga existiendo una corriente de aire en la parte superior de ala, el denominado extradós. A muy baja velocidad se produce el fenómeno de desprendimiento de la capa límite, y el aire circula en el extradós en sentido contrario, disminuyendo drásticamente la sustentación. Para evitar este efecto se dispone en el borde de ataque del ala otro pequeño flap que acelera la corriente en el extradós para evitar que se desprenda. Algunos paleontólogos[2] afirman que el Archaeopteryx poseía unas plumas en el borde de ataque del ala con esta misma función, despegar a baja velocidad en carrera. Simulaciones de biomecánica han llegado incluso a estimar esta velocidad: 25 kilómetros por hora.

 

El mono erecto

 

Cuando se construye una estructura con barras metálicas o de cualquier otro material, la forma más sencilla de diseñarla es comenzar con un triángulo e ir añadiendo otros a los vértices del original. El diseño resultante será intrínsecamente estable y estará optimizado para soportar tensiones. Si en lugar de montar un triángulo formamos un cuadrilátero, las tensiones en los vértices del mismo serán mucho mayores, y en el caso de uniones articuladas, ya no se tratará de una estructura sino de un mecanismo. Por definición del mismo, se trata de un sistema que puede deformarse sin absorber energía.

 

Si nos olvidamos de las rodillas, que tienen la articulación en otro plano, podríamos considerar que el sistema formado por las dos piernas y la cadera, junto con la separación de los pies forman un cuadrilátero articulado. Mantener en posición el mecanismo formado requerirá grandes esfuerzos en los vértices que configuran la articulación del fémur en la cadera. Los músculos que hacen esto posible, aductores y abductores, son los responsables de que el Australopitecus Afarensis comenzase a caminar erguido[3], sin necesidad de apoyar las extremidades superiores. Una pequeña variación en la posición de los músculos del glúteo impide esto mismo el resto de primates antropomorfos actuales.

 

El largo camino de la evolución

 

Los científicos que trabajamos en áreas de la tecnología de todo el mundo quizás deberíamos ser un poco más humildes y fijarnos más en los logros de millones de años de evolución de las especies. Sistemas de visión estereoscópica artificial y reconocimiento de patrones, robots que obtienen energía metabolizando materia orgánica o polímeros que regeneran su estructura después de sufrir una rotura, son campos en donde la evolución lleva una ventaja que se antoja insalvable. Seguramente nuestro trabajo sería más reconfortante estudiando hermosos fenómenos naturales, y le daría una dimensión humana de la que muchas veces se aleja.

 

 

 

[1] James S. Mclella, Susana Marcos, Pedro M. Prieto & Stephen A. Burns, ‘Imperfect optics may be the eye’s defence against chromatic blur’, Nature 417, 174 – 176 (09 May 2002);

[2] Feduccia, A., and H. B. Tordoff. 1979. ‘Feathers of Archaeopteryx: asymmetric vanes indicate aerodynamic function’. Science (N.Y.) 203:1021-22

[3] Juan Luis Arsuaga, Ignacio Martínez. ‘La especie elegida’, Ed. Temas de Hoy

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