27/05/2014

Impresión 4D y La Edad de la Magia

Por Andrei Vazhnov

“Aunque es una idea muy loca, sería interesante en cirugía si uno pudiera tragar al cirujano.”
— Richard P. Feynman, 1960

Últimamente en los medios se habla mucho sobre la potencial de las tecnologías de la impresión 3D: Desde imprimir prótesis y casas hasta imprimir drones y órganos para trasplantes, las posibilidades de estas tecnologías parecen cada vez más grandes. Y si bien muchos de estos desarrollos están todavía en etapas experimentales y muy incipientes, nadie duda de que algún día en las próximas décadas la impresión 3D tendrá impactos enormes en economía, geopolítica, cultura y otros ámbitos. A estas alturas, puede parecer muy poco lógico preguntar “¿Por qué necesitamos impresoras 3D?”

Sin embargo, ¿por qué las necesitamos? ¿Por qué no podemos simplemente pedirle a la madera que se ensamble en una mesa o a los ladrillos que se arreglen en un edificio? ¿Por qué siempre necesitamos fábricas, herramientas, máquinas o impresoras 3D para transformar la materia prima en productos que queremos tener? ¿Por qué la materia prima no se transforma sola?

Esta pregunta puede parecer loca o imposible, pero si pensamos en cómo funciona la naturaleza, vemos que esto no es algo raro sino algo totalmente natural y común: Después del momento de concepción de un ser vivo, las células embriogénicas se conectan y se ensamblan por sí mismas. La materia prima universal — las células madre — se diferencian y se interconectan automáticamente, formando órganos, tejidos y otros elementos del cuerpo; cada célula sabe exactamente a dónde ir, qué hacer y cómo interconectarse sin tener ninguna impresora 3D que la posicione en una configuración necesaria. ¿Por qué nuestra tecnología no puede funcionar así? ¿Por qué no podemos decirle a una bolsa de insumos que se ensamblen en una mesa?

No podemos hacerlo porque nuestra tecnología todavía es muy primitiva — aun las impresoras 3D más avanzadas mueven la materia prima en pedazos de trillones átomos — con respeto a los bloques de la naturaleza, nuestra tecnología es muy “al por mayor.” A diferencia de los materiales de construcción biológicos — las células — nuestros materiales son “muertos” o “estúpidos” — el ladrillo no sabe dónde está o qué está pasando a su alrededor, la madera es un árbol que en algún momento perdió su vida para ser un insumo para nuestra industria. Y si miramos nuestros productos con un microscopio electrónico, veremos que adentro no pasa nada — solo trillones de moléculas muertas vibrando en silencio.

La magia del mundo extremadamente pequeño

En 1960, Richard Feynman, uno de los físicos más importantes del siglo 20, se preguntó: ¿Qué pasaría si pudiéramos controlar la materia, pero no en pedazos de trillones de átomos, como hacemos hoy, sino a nivel molecular? ¿A dónde podríamos llegar? ¿Qué tan útil sería hacerlo?

“De lo que quiero hablar hoy es del problema de cómo controlar y construir cosas en escala pequeña. Ni bien lo menciono, la gente me empieza a contar sobre la miniaturización y lo avanzados que estamos. Me cuentan sobre motorcitos eléctricos que encajan en la uña del meñique o que inventaron un aparato que puede inscribir el Padre Nuestro en la punta de la aguja. Pero esto no es nada — sólo un paso básico y primitivo en la dirección de que les quiero hablar hoy. Hay un mundo inimaginablemente pequeño debajo nuestro y cuando nos miren desde el año 2000, se van a preguntar por qué hasta los 1960s no había nadie que empezara a explorar este tema.”

Feynman se dio cuenta que al poder manejar la materia al nivel molecular se nos abrirían las posibilidades que hoy sólo podemos llamar mágicas. Por ejemplo, los cirujanos hoy en día operan a los pacientes con instrumentos que son diseñados para sus manos. Es algo increíblemente traumático para el cuerpo y, aun en intervenciones perfectas, el paciente requiere semanas y meses de recuperación. Imagínense, dice Feynman, si pudiéramos construir un robot cirujano tan pequeño que pueda entrar adentro de un vaso de sangre, viajar hasta el corazón y arreglar una válvula rota. O pequeños cirujanos y médicos que vivan permanentemente en el cuerpo, continuamente midiendo todos los factores claves de salud, detectando y arreglando fallas sin que nosotros ni siquiera nos demos cuenta.

Pero el poder construir en la escala molecular es algo que va mucho más allá de crear los pequeños ángeles que vigilan tu salud. Para realmente entender lo que viviremos algún día dentro este siglo 21, piensen en que todo en la vida son configuraciones de átomos. Eric Drexler, un ingeniero en MIT que fue inspirado por la visión de Richard Feynman lo explica de esta manera:

“Carbón y diamantes, arena y los chips de las computadoras, cáncer y tejidos saludables: a lo largo de la historia, las variaciones en los patrones de los átomos distinguían lo barato de lo valioso, lo enfermo de lo saludable. Arreglados de una manera, los átomos nos dan aire, tierra y agua; arreglados de otra manera, nos dan frutillas. Arreglados de una manera, los átomos son casas y aire fresco; arreglados de otra manera son ceniza y humo.

Estamos orgullosos de nuestra tecnología, de las drogas que nos salvan la vida y de las computadoras en nuestros escritorios. Sin embargo, nuestras naves espaciales aun son primitivos, nuestras computadoras son estúpidas y las moléculas en nuestros tejidos y órganos aun caen en desorden, primero quitándonos nuestra salud, después nuestras vidas.

A pesar de todos los avances en nuestra habilidad de arreglar átomos, todavía estamos usando métodos primitivos. Con nuestra tecnología actual, aun manejamos los átomos en grupos de multitudes rebeldes.

Esta reflexión de Drexler te eriza la piel: Todos nuestros problemas importantes — alimentación, vivienda, polución, cambio climático, salud y hasta la muerte misma pueden ser solucionados instantáneamente si pudiéramos manejar la materia a nivel molecular. En el universo, hay alrededor de 100 tipos de átomos — ellos efectivamente son el abecedario con el cual está escrito el libro de la realidad que nos rodea. Los átomos de tu cuerpo estaban aquí en la época de los dinosaurios y antes de que estuviera la Tierra. Nacieron hace miles de millones de años adentro de las estrellas que murieron en una explosión colosal de supernovae y desde aquel tiempo lejano se van combinando y recombinando entre sí, contando la historia del universo y, más recientemente, la historia de la humanidad. Los mismos átomos de carbón que hoy forman la base de tu corazón, arreglados de otra manera podrían ser diamantes para un anillo de casamiento o materia prima para lápices; y si supiéramos cómo cambiar los patrones de átomos que constituyen tumores y órganos enfermos, toda la gente que ahora está sufriendo en los hospitales podría levantarse mañana en perfecto estado de salud. Sabiendo el abecedario de nuestra lengua, podemos escribir poesía, sabiendo el abecedario de los átomos, podemos escribir la realidad.

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Pero, ¿será posible todo esto o es sólo una especulación vaga para los cuentos de ciencia ficción? Richard Feynman era uno de los primeros que vio que este mundo mágico está realmente dentro de nuestro alcance. Su importante observación fue que no hay ninguna ley de la física que nos diga que arreglar materia átomo por átomo sea imposible. De hecho, los científicos lo estuvieron haciendo de forma limitada por muchos años — no es una cosa fantástica como viajar más rápido que la luz o ir a visitar a Sócrates en una máquina del tiempo. Y, casi por definición, todo lo que está permitido por las leyes de la física, nosotros lo podemos llegar a hacer. Como explica Feynman:

“No les voy a hablar de cómo vamos a hacerlo, sino de que es posible en principio — o sea, lo que es posible según las leyes de la física. No estoy inventando anti-gravedad. Les estoy diciendo que es posible… y si no lo estamos haciendo, es simplemente porque todavía no lo hemos probado.”

Tal vez la prueba más convincente de la posibilidad de este tipo de tecnología es que los seres biológicos, como nosotros, la usamos todo el tiempo. Las células de tu piel se reemplazan cada dos semanas, las células adentro de tu estomago cada cinco días; las células de tu sangre cada 120 días y las moléculas individuales dentro de las células se van renovando aún mucho más rápido. Muy poco de lo que piensas como “tú mismo” tiene realidad permanente — es una obra que está siempre en proceso de construcción. Tu cuerpo toma la materia prima de afuera a través de tu boca y, usando la información digital guardada en el ADN que te dieron tus padres, convierte la materia prima en tu hígado, tu piel, tu estómago, tu sangre, ensamblando tus órganos molécula por molécula continuamente. Y justamente esta maravillosa tecnología de la vida fue lo que le dio a Feynman la idea de explorar las posibilidades del mundo pequeño. Dice:

“El ejemplo biológico de escribir información en escala pequeña me inspiró a pensar que algo así debería ser posible. La biología no simplemente escribe la información sino también hace algo con respeto a ella. El sistema biológico puede ser extremadamente pequeño. Muchas de las células son muy chiquitas, pero son muy activas; ellas manufacturan varias sustancias; se mueven por aquí y por allá; se contonean; hacen un montón de cosas maravillosas y las hacen en una escala muy pequeña. Y además, ellas guardan información. Piensen en la posibilidad de que nosotros también pudiéramos construir una cosita tan pequeña que haga lo queramos — ¡que nosotros pudiéramos construir un objeto maniobrable en esta escala!”

Las observaciones de Feynman sugieren dos caminos distintos para aprender a controlar el mundo pequeño: Primero, podemos modificar o “hackear” las pequeñas máquinas del mundo biológico que ya existen. Estas maquinitas ya saben cómo construir, deconstruir, y manejar sustancias molécula por molécula, átomo por átomo y si las pudiéramos controlarlas mejor, ya podríamos tener algo de la tecnología con la que soñaba Feynman. Segundo, podemos desarrollar materiales “inteligentes” que imiten algunas de las habilidades de los sistemas biológicos — las habilidades de auto-organización, comunicación y procesamiento de información distribuida.

El primer camino es el camino de la biología sintética; el segundo camino -de materiales inteligentes- recientemente adquirió el nombre de impresión 4D. Son dos pequeños pasos hacia la frontera final de la tecnología: poder manejar la materia a nivel molecular.

Biología Sintética

Si pudiéramos controlar de forma muy precisa los mecanismos internos de las células ya estaríamos bastante avanzados en el camino hacia el control del mundo pequeño. La biología sintética apunta a aprender a controlar los procesos biológicos creando secuencias de ADN que no existan naturalmente y luego inyectar este ADN sintético dentro de una célula viva.

En términos conceptuales, no es tan complicado como puede parecer. Una parte clave de todas las células son máquinas moleculares conocidas como ribosomas. Estas máquinas son efectivamente una pequeña impresora 3D de la naturaleza. Toman la información digital del ADN (a través de ARN mensajero) y conectan aminoácidos de una manera determinada por el diseño que el biólogo usó al crear el ADN sintético. Estas nuevas células pueden tener comportamientos completamente nuevos — por ejemplo generar nuevos materiales o ayudarnos a limpiar la polución.

Podemos ver el potencial enorme de este camino pensando en el derrame petrolero de British Petroleum. Era una catástrofe ambiental tan peligrosa que en la prensa muchos científicos y periodistas decían que podía empezar una inestabilidad en el ecosistema marino mundial que podía causar una especie de extinción que jamás habíamos visto durante la época de la humanidad en este planeta. El consenso científico fue que la nube de metano suelto por el desastre iba a quedar en el océano por muchos años, matando a la vida marina en cantidades difíciles de medir. Sin embargo, inesperadamente, casi todo el metano desapareció solo 120 días después del derrame. Según los resultados publicados en la revista Science esto fue debido a que la población de los microbios que comen los hidrocarburos creció mucho más rápido de lo que los científicos esperaban.

Pero en este caso solamente tuvimos suerte que los microbios “decidieron” venir a ayudarnos con nuestro lío. Imagínense las posibilidades que podríamos tener si este proceso fuera precisamente controlado — que en cualquier momento podríamos convocar billones de billones de fábricas invisibles para crear materiales que necesitamos, limpiar desastres ambientales o para administrar tratamiento directamente a los órganos enfermos.

Impresión 4D

Por otro lado, podemos desarrollar materiales artificiales que se comportan un poco más como células. Como explicaba Feynman, lo maravilloso de las células es que pueden actuar sobre la información de su entorno y auto-organizarse sin tener ningún dirigente central. Las células son material de construcción activo — material que mueve, comunica y auto-organiza. Cada uno de los pequeños ladrillos de la naturaleza tiene adentro un programa digital complejo — la ADN —, un programa que agrupa millones de años de sabiduría evolucionaria que le da inteligencia y flexibilidad. En principio nuestros materiales también pueden funcionar así.

Skylar Tibbits de MIT trabaja en el campo de sistemas de autoensemblaje y materiales programables. Recientemente hizo una presentación en TED de un proceso que él llamo impresión 4D. En este contexto, el nombre 4D se refiere a la dimensión de tiempo. La idea es que más allá de la forma tri-dimensional que el objeto tiene en el momento de la impresión, el material también posee la capacidad de transformación y esta es la cuarta dimensión.

Por ejemplo, Tibbits en conjunto con la empresa Stratasys (una productora de las impresoras 3D), desarrollaron un material compuesto que consiste de dos capas — una de plástico tradicional y otra de un material “inteligente” que se expande cuando está en contacto con agua. El primer material sirve como estructura mientras que el segundo provee la habilidad de transformación. La expansión del segundo material debido a la absorción de agua genera una fuerza que permite a la forma impresa doblar, girar o distorsionarse de otra manera programada. Tibbits da el ejemplo de caños de agua corriente. Ahora son hechos de un material “estúpido” y cualquier cambio de parámetros puede causar una rotura que sería muy caro de arreglar. Imagínense caños que se pueden expandir o achicar dependiendo de la necesidad o adaptarse a las circunstancias de una manera aún más flexible.

Otro ejemplo de un material programable es un “nanobot” microscópico programable desarollado en Harvard para poder llevar las drogas directamente al cáncer. Uno de los problemas claves de oncología es que durante la quimioterapia el cuerpo entero del paciente está sujeto al contacto con la droga empleada, que normalmente es altamente tóxica para el resto del organismo. El nanobot soluciona este problema, dado que está construido de cadenas de ADN que forman una canasta con cerraduras que se abren automáticamente cuando el nanobot detecta la presencia cercana de las células cancerosas. La cerraduras se abren y sueltan la droga, cuya toxicidad solo actuará directamente en el cáncer.

Hoy en día, el pequeño cirujano ya está tomando forma. Y, pensando desde esta perspectiva, podemos ver que una gran parte de la medicina moderna es como ir a cazar pájaros con cañones. ¿Por qué tomamos drogas por la boca y bañamos todo el cuerpo en materiales tóxicos cuando solo una parte o un órgano lo necesita?

Dos Caminos al Mismo Destino

Pero en el fondo estos dos caminos nos están llevando al mismo lugar — a aprender a controlar la materia a nivel molecular. Estamos en el umbral en que los sueños de Feynman se van a empezar a volver realidad y, cuando esto pase, va a ser, no solamente el hito tecnológico más importante de la historia de humanidad, sino la transición más importante en la historia de la vida en nuestro planeta — porque el que puede mover materia en el espacio a nivel molecular ya no va a tener a tener los límites que antes determinaba la naturaleza de la vida humana: Como ya vimos, la diferencia entre vejez y juventud, entre bello y feo, entre abundancia y pobreza, entre salud y enfermedad siempre ha sido tan solo detalles de la configuración de los átomos en el espacio. Las impresoras 3D, la biología sintética, la impresión 4D y los materiales programables son tan solo pasos en el camino hacia esta frontera final de la tecnología — una frontera todavía lejana pero que seguramente vamos a cruzar en los próximos 50 años.

 


Bibliografía:

Richard Feynman. There is plenty of room at the bottom.
Carl Sagan. Billions and Billions
Dorion Sagan y Eric Schneider. Into the Cool
Eric Drexler. Engines of Creation
The Guardian: 4D-printing: from self-assembling chairs to cancer-fighting robots