Soluciones Naturales

¿Qué podemos aprender de una abeja, un delfín o un murciélago?
La naturaleza puede ser una poderosa guía para resolver problemas de diseño e ingeniería. Como se enseña en fisiología comparada, cada animal debe resolver un problema particular para sobrevivir; de manera que cada animal es un diseño de solución para un problema determinado. La copia consciente de mecanismos de organismos naturales trata a la naturaleza como una base de datos de soluciones que funcionan.
La naturaleza atesora soluciones tecnológicas producto de millones de años de experimentos evolutivos. Si tuviéramos la fortuna de encontrar en ella algo cercano a lo que buscamos para la solución de un determinado problema, es muy poco probable que podamos hacerlo mejor; la presión evolutiva fuerza los sistemas naturales a hacerse altamente optimizados y eficientes.
Este es el principio guía de la biomimética o biónica, que busca aplicar los métodos y sistemas hallados en la naturaleza al estudio y diseño de soluciones tecnológicas. Los investigadores de esta área piensan que los sistemas biológicos pueden inspirar soluciones eficientes, prácticas y sostenibles de problemas tecnológicos, y que tienen por lo tanto el potencial de incrementar enormemente las nuevas tecnologías, los nuevos materiales y los procesos.
Ejemplos clásicos en biónica son el desarrollo de la pintura repelente del sucio y el agua, basado en la propiedad de la superficie de la flor de loto de repeler prácticamente cualquier sustancia que se le adhiera; el hule para botes, que imita la gruesa piel del delfín; el sonar, el radar y la ecosonografía de ultrasonido, que imitan la ecolocalización de los murciélagos; las neuronas artificiales y las redes neurales artificiales usadas en computación.
En la actualidad existen numerosas realizaciones y proyectos de investigación biomimética en áreas tales como la de biosensores, el diseño de materiales, los artefactos de locomoción y la organización de sistemas. Se desarrollan: una retina auditiva basada en el oído de los peces; técnicas de optimización de almacenamiento de información en sistemas informáticos basadas en las estrategias de almacenamiento de las abejas; o el uso de los principios de control neuromecánico de los animales para el diseño de prótesis y robots, entre muchas otras.
A pesar de los avances, queda todavía mucho por aprender de la naturaleza. Juliant Vincent, profesor de biomimética de la Universidad de Bath, Inglaterra, estima que en la actualidad apenas un diez por ciento de los mecanismos utilizados por la tecnología provienen de la biología.

La Revolución Nanotecnológica

La revolución tecnológica de lo super pequeño, la nanotecnología, ya está con nosotros. Un conjunto rápidamente creciente de empresas especializadas en nanotecnologías ofrecen nuevos materiales para una amplia variedad de aplicaciones que van desde nanotubos de carbón y nanomateriales para aplicaciones médicas avanzadas, hasta un relativamente sencillo desinfectante.
La nanotecnología es la ciencia de lo super pequeño. Su nombre viene de una unidad de longitud inimaginablemente pequeña - el nanómetro - que es igual a una milmillonésima de metro (una parte de un metro dividido en mil millones de partes iguales). Es una dimensión apropiada para el mundo atómico y molecular; así, el átomo más pequeño, el de hidrógeno, mide transversalmente un décimo de nanómetro, una molécula de azúcar -un nanómetro, y la partícula de un virus -unos 50 nanómetros.
La nanotecnología explota el hecho de que al disminuir las dimensiones de la materia a decenas de nanómetros o menos, los efectos cuánticos comienzan a hacerse sentir y las propiedades ópticas, eléctricas o magnéticas de las sustancias pueden cambiar significativamente. Las nanopartículas de oro, por ejemplo, pueden ser rojas, azules o del color habitual, dependiendo del tamaño que tengan. Este hecho era ya conocido y utilizado por los vitralistas de la edad media.
Así mismo, una reacción química puede aumentar extraordinariamente su eficacia y rapidez si en lugar de usar las sustancias en forma de polvo o gel, se recurre a nanopartículas de los químicos.
Los avances hechos en diversos laboratorios del mundo hacen muy probable que dentro de pocos años la nanotecnología sea predominante en nuestro entorno cotidiano. En unos 10 años el ancho de los cables de un chip puede reducirse, de 100, a unos 10 o 15 nanómetros; y baterías que se carguen en dos minutos pueden estar pronto a disposición de los usuarios. Con nanotubos de carbón se espera fabricar objetos hasta 100 veces más fuertes que el grafito normal, que es ya más fuerte y liviano que el acero, y la nanotecnología de puntos cuánticos está por ofrecernos un nuevo y eficacísimo bombillo.
El famoso físico norteamericano Richard Feynman fue quién dio inicio a la escalada nanotecnológica cuando, hace unos 45 años, hizo la observación: “¿Por qué no podemos escribir los 24 tomos completos de la Enciclopedia Británica en la cabeza de un alfiler? Los principios de la física, hasta donde podemos juzgar, no se oponen a la manipulación de las cosas átomo por átomo”

Hormigas En La Red

Las hormigas pueden ser mejores que los humanos para controlar las redes de telecomunicaciones.

En efecto, investigadores han hallado que programas de control basados en el comportamiento de las hormigas en la búsqueda de alimentos, pueden resolver los problemas de congestión y mantener las redes de datos funcionando con mayor eficiencia.

Consideradas individualmente las hormigas pueden resultar estúpidas. Pero si se junta un número suficiente de ellas, se las arreglan para construir nidos, cultivar hongos para alimentarse y hasta criar otros insectos. Unidas constituyen un grupo auto organizado, que exhibe una inteligencia colectiva, gracias a la cual resuelven problemas complejos mediante la suma de interacciones simples entre los individuos.

Cuando buscan alimentos, las hormigas recorren al azar el suelo del bosque o el jardín y dejan una traza de feromona, un indicador químico, para guiar a sus congéneres a una fuente de alimentos. Diferentes hormigas pueden descubrir distintas rutas hacia la misma fuente de alimentos; pero la ruta más corta, porque es recorrida con mayor frecuencia, tendrá la mayor concentración de feromonas. Pronto ésta se convierte en el camino más popular, puesto que es el más fácil de hallar y seguir por las otras hormigas.

Es esta capacidad de auto-organización con la que los especialistas en informática han soñado para ayudar a resolver el problema de las redes de telecomunicaciones saturadas.

Los datos que viajan de un ordenador a otro son similares a una suerte de hormigas artificiales: recorren la red pasando de un nodo a otro, procurando hacerlo lo más rápidamente posible. Pero, al igual que ocurre en la naturaleza, pueden aparecer embotellamientos. Las hormigas artificiales retardadas por un atasco solo depositarán una pequeña cantidad de feromonas sobre el nodo. Por el contrario, las que encuentren un camino fluido depositarán más cantidad. Gracias a esta información, la colonia escogerá trayectos claramente más rápidos. De esta manera, la red se autorregula sin intervención exterior centralizada.

Hormigas artificiales han sido utilizadas en simulaciones en la red de la Fundación para la Ciencia Nacional de los Estados Unidos y en la red de telecomunicaciones de la compañía NTT de Japón. Las hormigas artificiales generaron rápidamente mapas que mostraban las rutas más rápidas a cualquier destino final.

Investigadores de la Universidad Libre de Bruselas utilizan breves e ingeniosos programas que imitan el comportamiento de las hormigas, para hallar novedosas y eficientes maneras de abordar problemas organizacionales y de cómputo.

Gélida Espera

Se nos ha vendido la idea, a precios muy elevados, de la posibilidad de prolongar la vida por métodos criogénicos. Es decir, congelar los cuerpos, generalmente enfermos o ancianos, y volverlos a la vida cuando los avances tecnológicos puedan garantizar la curación o el rejuvenecimiento de la persona congelada.

El Dr. Pedro Rodríguez, Coordinador del Centro de Microscopía Electrónica de la Facultad de Ciencias de la U.C.V. y especialista en criopreservación de células animales, nos explica lo lejos que nos encontramos tecnológicamente de este objetivo:

La técnica de congelar células vivas es conocida desde los años 60. Se utiliza de manera común en Biología con el fin de estudiarlas, y diversos tipos de células se almacenan congeladas para ser utilizadas por los especialistas del mundo entero. Pero una cosa es congelar una célula para su estudio y otra es congelarla para revivirla.

Los tejidos vivos están constituidos de moléculas complejas y moléculas de agua. Las moléculas de agua son las más abundantes, podemos decir, que las moléculas complejas están “sumergidas” en agua. Al bajar la temperatura, el agua aumenta su volumen debido a la formación de cristales de hielo, produciendo así la destrucción de la célula.

Pero este proceso puede ser controlado. Con la ayuda de sustancias llamadas “anticongelantes”, es posible minimizar la cristalización destructora del agua, siempre que la temperatura descienda suficientemente rápido y alcance valores suficientemente bajos.

Para congelar una célula sin destruirla se requiere descender la temperatura hasta unos -100ºC y el proceso debe hacerse en unas pocas milésimas de segundo. Con este método de congelación ultra-rápida se pueden congelar células sin destruirlas.

Pero estamos hablando de unas pocas células. Si se quiere congelar un tejido, constituido por cientos de millones de células, o peor aún un individuo, constituido por cientos de tipos de tejidos diferentes, necesitaríamos poder alcanzar temperaturas similares, o más bajas, en unos pocos milisegundos.

Hasta este momento la tecnología para congelar un cuerpo sin que ocurra destrucción celular no está disponible. Las personas que han sido congeladas hasta el momento lo han sido con métodos de baja velocidad y perfundidos con anticongelante, lo que implica una destrucción celular importante. No es un problema de tiempo la espera de su resurrección.

Aquel hombre que se despierta de un largo y frío letargo, y tiene la misma edad que su bisnieta... por un buen tiempo, será pura ficción.

El Rayo Maravilloso

“Transgrediendo fronteras: hacia una hermenéutica transformadora de la teoría cuántica de la gravitación” fue el rimbombante título que el físico neoyorkino Alan Sokal eligió para su trabajo aceptado en 1996 por la prestigiosa revista Social Text.

Nunca imaginaron los editores de la revista el escandaloso terremoto que estaba por desatarse y que estremecería los cenáculos intelectuales de Los Estados Unidos y Francia.

El artículo mezclaba citas de los más consagrados pontífices de la filosofía postmoderna, como Lacan, Baudrillard y Kristeva, entre otros, con la jerga técnica de las más abstractas teorías de la física.

Los editores no podían estar más halagados. Un teórico de las ciencias duras reivindicaba un discurso en sintonía con el pensamiento postmoderno. La moda intelectual era agredir a la ciencia, calificándola como una convención social, una narrativa o un mito en nada diferente al
mito del diluvio.

El halago duró poco. Dos semanas después, Sokal reveló la verdad: se trataba de una gigantesca parodia, una burla de principio a fin donde se mezclaban una sarta de disparates sin ningún significado pero con apariencia de profunda reflexión filosófica.

La apuesta era que la publicación de un artículo absurdo desnudara la debilidad de los criterios de los editores. Sokal recurrió al humor pesado para denunciar el palabrerío vacío y la oscuridad retorcida, como sinónimo de profundidad.

La sátira feroz fue el arma que el físico usó para tomarles el pelo a los intelectuales postmodernos que hacían gala de una delirante oscuridad del lenguaje.

La revelación de Sokal encendió la pradera. El orgullo herido de los intelectuales desató una ola de declaraciones y contradeclaraciones en los círculos académicos incluso a través de medios masivos como el New York Times.

Al poco tiempo Sokal volvió al ataque. Junto con el físico belga Jean Bricmont publicó el libro “Imposturas Intelectuales” donde denuncian cómo distintos autores usan incorrectamente el lenguaje de las ciencias, sólo para prestigiar un discurso, que paradójicamente está dirigido a descalificar a las ciencias. La intoxicación de conceptos usados fuera de contexto los pone en evidencia. Afirmar, como afirmó Lacan, que la raíz cuadrada de menos uno, base de los números complejos, representa el órgano eréctil masculino, es demasiado.

El affaire Sokal metió el dedo en la llaga de la enorme brecha entre las dos culturas, la científica y la humanística. Reducir el abismo de incomprensión entre ellas, sigue siendo asignatura pendiente.

El Humo Sólido

Parece un sueño: de apariencia delicada, nubosa, casi etérea. Ligero como el aire, translúcido y de un fantasmal color azul tenue. Recuerda un holograma.

Se trata del aerogel, familiarmente denominado humo sólido o humo azul, un material sólido con propiedades fascinantes, de consistencia similar a una espuma, cuya composición puede llegar a ser hasta en un 98% aire. De hecho, es el material sólido más liviano que se conoce, con una densidad apenas tres veces superior a la del aire.

No obstante su frágil aspecto, es un material sumamente fuerte: es capaz de soportar más de 1000 veces su peso sin deformarse. Posee además excepcionales propiedades aislantes tanto térmicas, como eléctricas y acústicas. Por ejemplo, para igualar las propiedades aislantes de una ventana de aerogel de un determinado espesor, habría que utilizar una de vidrio diez veces más gruesa. Así mismo, puede resistir la llama de un soplete sin quemarse o derretirse

Estas propiedades llevaron a su uso en misiones espaciales. Lo utilizaron para proteger de las altas temperaturas al vehículo Mars Rover que recorrió Marte. Y en la misión Stardust, se utilizó para recoger muestras de polvo interestelar y de cometas, por medio de una gran pantalla de aerogel, que permitió disminuir las altas velocidades de las partículas sin causarles alteraciones físicas.

El aerogel posee también una micro porosidad extrema. Su estructura la forman partículas de unos pocos nanómetros de tamaño, vinculados en una forma dendrítica altamente porosa. Esto lo hace un poderoso desecante que absorbe rápidamente cualquier humedad que contacte.

El aerogel es fabricado usualmente, como el vidrio ordinario, a partir de dióxido de silicio, por lo que posee una estructura química similar a la del vidrio, solo que es unas mil veces menos denso que éste. Hay también aerogeles hechos con alúmina, circonio, óxido de cromo, estaño y carbono.

Para su elaboración, un gel húmedo, constituido por una red tridimensional de partículas de óxido y un solvente que llena el espacio restante, se seca a altas temperatura y presión.

Aunque conocido desde 1931, la alta peligrosidad del método de preparación original retardó la utilización del aerogel hasta hace relativamente poco.

No deja de ser curioso que este vertiginoso despliegue de aplicaciones técnicas y científicas haya comenzado con una amistosa apuesta entre los profesores californianos Kistler y Learned, sobre la posibilidad de reemplazar por gas, sin disminuir el volumen del material, el líquido que contiene un tarro de mermelada.

El Computador Cuántico

Las poderosas computadoras modernas podrían llegar a lucir como simples calculadoras de mano si se concretara el sueño del computador cuántico.

¿En qué sería diferente un computador cuántico de uno usual? Los computadores comunes funcionan manipulando elementos de información llamados bits que se presentan en forma de un cero o un uno. Un bit se realiza mediante alguna propiedad de un sistema físico, como la de estar o no magnetizado o eléctricamente cargado. Con un conjunto de bits adecuadamente ordenados se suministra al computador la información sobre un determinado problema bajo la forma en que él puede procesarla y buscar resolverlo.

Los bits cuánticos, por su parte, se construyen a partir de los estados cuánticos de un átomo u otra micro partícula. Pero en el micro mundo las partículas pueden existir simultáneamente en más de un estado. De manera que un bit cuántico puede ser un uno, un cero o algo intermedio entre los dos, simultáneamente.

Así que, mientras que el computador usual debe procesar los bits uno por uno, el cuántico puede leer y procesar un montón de bits atómicos a la vez y realizar millones de cálculos inmediatamente.

Los investigadores piensan que combinando muchos de esos bits cuánticos se podrán realizar tareas inalcanzables para un computador ordinario. Reina entre ellas: el descifrado de comunicaciones encriptadas.

El encriptado se basa en la factorización de grandes números. Pues bien, con un número de 1000 cifras, un computador usual requeriría miles de millones de años para hallar los números primos que multiplicados den dicho número, mientras que un computador cuántico lo haría en ¡20 minutos!

Así mismo, localizar un dato en una base de datos no ordenada, exige a una computadora usual un número de intentos igual a la mitad del número total de datos. Un computador cuántico haría lo mismo en un número de intentos igual a la raíz cuadrada del número de datos. Con un millón de datos, una computadora común necesitaría 500 mil intentos, mientras que el computador cuántico requería sólo mil.

Adicionalmente, un computador cuántico podría funcionar como un simulador para los fenómenos cuánticos, facilitando así enormemente los estudios en este campo.

Según muchos expertos, hacen falta décadas para que contemos con un computador cuántico.

No obstante, y aunque la noticia ha sido recibida con cierto escepticismo, la compañía canadiense D-Wave Systems acaba de sorprender al mundo con el anuncio de Orión, un computador cuántico que juega SUDOKU.

Del Pitecantropus Al Telescopio Espacial Hubbel

Un homínido aprieta en su puño un hueso largo, golpea con violencia una osamenta. Un hueso golpeado se eleva. La toma es en cámara lenta. Imperceptiblemente el hueso girando se transforma en la rotación majestuosa de una modernísima nave espacial. En esta escena ya clásica de 2001 Odisea del Espacio, Kubrick captura alegóricamente milenios de evolución tecnológica. El artefacto como prolongación de nuestros sentidos.

Conocer y fabricar son dos actividades profundamente humanas. Somos Homo Sapiens y Homo Faber. La ciencia satisface las ansias de saber. La técnica satisface las ansias de construir. Hija de ambas, la tecnología inunda el mundo actual de productos.

La ciencia y la técnica se refuerzan mutuamente, cada una ayuda a crecer a la otra. Entender mejor las leyes de la óptica permite construir mejores telescopios. Las leyes electromagnéticas conducen a los motores eléctricos y a los generadores. A su vez los nuevos aparatos permiten indagar más profundamente en la naturaleza, lo que lleva a descubrir nuevas leyes. El círculo virtuoso leyes de la naturaleza, técnica y tecnología, se expande indetenible.

La tecnología muy primitiva no requiere del conocimiento científico. No hace falta conocer las leyes de Newton para construir una palanca, ni conocer geometría analítica o el número “Pi” para inventar la rueda. Pero la tecnología más sofisticada es producto de la ciencia. Cuentan que el primer ministro inglés le preguntó a Faraday que para qué servían sus descubrimientos. Faraday respondió: “No sé señor, pero algún día habrá que pagar impuestos por este descubrimiento”.

La telefonía celular o las computadoras son inconcebibles sin el desarrollo de la física cuántica. El uso de la energía atómica supone conocer las leyes de la física nuclear. Entender cómo emiten radiación los átomos permite construir un rayo laser.

Hoy podemos manipular los átomos individualmente con auxilio de la nanotecnología, observar los confines del universo, o transmitir y manejar instantáneamente billones de datos en Internet. Evidencia contundente de que el matrimonio ciencia – tecnología es indisoluble y exitoso.

La ciencia opta por entender el mundo físico a su alrededor, muchas veces por el simple placer de descubrir. La misión de la ciencia es descubrir. Y de teorías muy abstractas han surgido aplicaciones prácticas. No sabemos qué ventajas adaptativas nos brinda conocer la elusiva teoría cuántica de la gravitación o la comprensión de los agujeros negros, pero a lo mejor un día tendremos que pagar impuestos por ellos.

De HAL A La Manzana

“Detente Dave, detente,…, tengo miedo, se me va la mente, puedo sentirlo… Soy el computador HAL 9000, comencé a funcionar en la fábrica HAL en Illinois el 12 de enero de 1992, mi instructor fue el Sr. Langley y me enseñó una canción que puedo cantar…”

Con estas palabras Stanley Kubrick nos anticipa el triunfo del hombre sobre la computadora humanizada, en la extraordinaria película 2001 Odisea del Espacio, estrenada en 1968.

Pero ¿Cómo llegamos a los prodigiosos avances que nos llevan a fantasear acerca de la sustitución del cerebro humano por el computador?

Vayamos a los orígenes.

¿Quién inventó las computadoras? ¿Cuál es su historia?

En 1913, justo antes de la Primera Guerra Mundial, un ingeniero del Instituto Tecnológico de Massachussets, Vannevar Bush, en Estados Unidos, construyó una calculadora mecánica que puede considerarse el primer paso hacia la creación del computador moderno. A partir de ésta pronto fueron construidas calculadoras electromagnéticas en Alemania, Francia y Estados Unidos.

En 1939 el físico norteamericano, John Atanassof realiza un avance crucial con la fabricación del primer computador electrónico. Este computador utiliza el código binario y tiene ya las estructuras de las computadoras modernas: memoria, compilador y operador. Enseguida estalla la Segunda Guerra Mundial y los militares ingleses y americanos las utilizan para descifrar claves en las tareas de espionaje.

En el año 1942, el matemático inglés Alan Turing inventa una segunda generación de computadores llamadas “Colossus”. Este computador mejora considerablemente las funciones de los anteriores; se utiliza de nuevo para descubrir los códigos secretos del enemigo alemán. Paralelamente los norteamericanos mejoraron el Colossus para atender las necesidades del proyecto Manhattan, de fabricación de la bomba atómica. En 1950 se construye el primer gran computador electrónico. La invención se debe a dos ingenieros y al gran matemático John von Newman. Von Newman inventa los primeros lenguajes de programación. A partir de allí se multiplican rápidamente los avances y sofisticaciones que hoy conocemos, introducidos por grandes compañías como IBM y Apple, entre otras. En 1952 el gran pionero de la informática Alan Turing se quitó la vida mordiendo una manzana envenenada, tras las humillaciones recibidas durante un infame juicio por homosexualidad. ¿Será casual el nombre de la compañía Apple, o éste alude a aquella manzana que mordió Turing?

HAL, la computadora de 2001 Odisea del Espacio, tiene las siglas que le anteceden en el abecedario a IBM. ¿Otra casualidad?

Almacenando El Hidrógeno

Imagínate una ciudad sin ruido de motores ni contaminación. Nos parece imposible: un atrevimiento más de la ciencia ficción. ¡Pero este sueño podría ser realidad gracias al hidrógeno!

El hidrógeno es considerado como el posible combustible del futuro. Se le comienza a utilizar ya en las pilas de combustible experimentales que mueven automóviles eléctricos o dan emergía a dispositivos electrónicos portátiles tales como computadoras y teléfonos celulares.

Pero el problema del almacenamiento del hidrógeno se atraviesa en el camino de este sueño como una dificultad mayor.

Almacenar hidrógeno de manera segura para automóviles y dispositivos móviles en general, resulta especialmente problemático. El hidrógeno gaseoso presurizado debe almacenarse en tanques de gruesas paredes que ocupan mucho más espacio que su equivalente energético en gasolina.

Durante un buen tiempo los investigadores del área han buscado materiales que actúen como esponjas que absorban el hidrógeno y lo mantengan de manera segura hasta que se requiera para su uso; pero no se han hallado hasta ahora materiales con la necesaria capacidad de almacenamiento a las temperaturas y presiones convenientes.

Recientemente investigadores de las universidades inglesas de Newcastle y Liverpool han propuesto lo que puede ser una solución del problema a nivel molecular: una nanoesponja de hidrógeno.

Se trata de materiales compuestos de largas cadenas de carbono unidas por átomos metálicos, que cuando cristalizan forman cavidades de dimensiones inferiores a un nanómetro, es decir, a una milmillonésima de metro o 10 Ángstrom -- la dimensión típica de los diámetros atómicos. Las cavidades están conectadas por ventanas más pequeñas aun, de dimensiones inferiores a las de una molécula de hidrógeno.

Durante el llenado, el hidrógeno puede pasar a través de las ventanas, gracias a la flexibilidad de las cadenas; pero una vez llenas las cavidades, las cadenas pierden flexibilidad por lo que fuerzan el cierre de las ventanas.

Como resultado, el material puede ser cargado con hidrógeno a alta presión y mantiene el gas cuando la presión cae a niveles normales, con lo cual de hecho actúa como un sello de presión de dimensiones moleculares.

Aunque los materiales hallados por los investigadores de Newcastle y Liverpool no almacenan suficiente hidrógeno como para ser utilizables en aplicaciones prácticas y sólo funcionan a temperaturas muy por debajo de la ambiente, el hallazgo abre la vía a un prometedor nuevo enfoque del problema de almacenamiento seguro y eficiente de hidrógeno.