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Bruno Grossi: “Un centro interdisciplinario de biomimesis es lo que me gustaría desplegar en la FCFM”

El Dr. Bruno Grossi, ganador del Ig Nobel de Biología 2015 e investigador del AMTC, habla sobre la biomimesis o biomimética, cómo el buscar inspiración en la naturaleza puede ayudar a la Ingeniería y por qué, en este contexto, es importante que exista un mutualismo entre Ingeniería y Biología.

Mañana la ciudad de Valdivia será la sede de la primera de una serie de charlas sobre biomimética o biomimesis conducidas por el Dr. Bruno Grossi, investigador postdoctoral del AMTC en nuestra área de automatización y uno de los ganadores del Ig Nobel de Biología 2015. Las presentaciones, organizadas por PAR Explora, se enmarcan en lo que la entidad ha denominado el “Año de la Biomimesis”, en que varios eventos darán a conocer esta disciplina que, a grandes rasgos, permite desarrollar soluciones tecnológicas buscando inspiración en elementos de la naturaleza.

El Dr. Grossi, quien lleva adelante una investigación sobre marcha de los dinosaurios terópodos, está justamente utilizando la biomimesis para crear un artefacto robótico bioinspirado que le ayude a probar sus hipótesis sobre la eficiencia energética en el movimiento de dichos animales. Además está a cargo del curso “Introducción a la Biomecánica Animal” que ofrece la FCFM a sus alumnos de pregrado, lo que le ha dado la oportunidad de interiorizarse en la biomimesis y de reconocer cómo esta rama del conocimiento puede aportar a la Ingeniería.

-¿Cómo podemos definir la biomimética?

-La biomimética muy antiguamente se le llamaba “biónica”, como suma de “biología” más “mecánica” o “técnica”, pero al final se terminó utilizando en unas series de televisión, y como que quedó relacionada con artefactos para los seres humanos, para que mejoraran sus características. Después pasó por una etapa donde se llamó “biomimesis” o “biomimética”, que es la que se usa ahora, que es una especie de imitación de la naturaleza, hasta hoy que se suele decir “bioinspirado”. ¿Por qué? Porque básicamente son tecnologías innovadoras que buscan la naturaleza como fuente de inspiración. Entonces he ahí la definición.

“La biomimética en particular nació a mediados del siglo pasado, más o menos en los 1940. Un ingeniero iba manejando de noche por la carretera, y en la oscuridad ve un gato y nota que le brillan los ojos. El gato huye, pero él piensa que fue algo increíble haber visto los ojos del gato y así determinar dónde estaba la carretera, porque no tenía iluminación. Y se le ocurrió que las carreteras podrían tener marcas como los ojos de ese gato. Entonces se puso a aprender sobre la fisiología del ojo del gato; se dio cuenta de que detrás de la retina, los gatos y muchos otros mamíferos tienen una capa que refleja la luz, retrorrefractaria, que hace que rebote para que pase dos veces por la retina y así las rodopsinas, las proteínas de la retina, tienen dos oportunidades de percibir la luz. Eso era lo que usaba el gato, pero el ingeniero diseñó unos dispositivos que hacían rebotar la luz como los ojos del gato y los puso en las carreteras, creando así lo que nosotros conocemos como “ojos de gato”, que están en todas partes del mundo y que nos permiten ver las carreteras de noche. Otro ejemplo: otro ingeniero llega a casa, y ve llegar a su perro con el pelaje lleno de semillas pegadas (lo que en biología llamamos epizoocoría, el transporte de semillas mediante la superficie de un animal). Entonces miró en un microscopio estas semillitas y se dio cuenta de que eran ganchitos que automáticamente se agarraban al pelo si se acercaban. Entonces dijo ‘agarremos varios ganchitos, agarremos pelos’ y pum, inventó el velcro. Son los clásicos ejemplos del siglo pasado en que dos ingenieros admirando la naturaleza notaron que podían utilizar estos principios naturales en ideas novedosas.”

“Resumiendo, la biomimética, tecnología bioinspirada o biomimesis son nuevas tecnologías que tienen a la naturaleza como fuente de inspiración, ya sea en procesos naturales, mecanismos animales, principios físicos, etc. Los ingenieros no tienen que empezar a construir nuevas ideas desde cero, desde la matemática, sino simplemente mirar cómo la naturaleza, durante miles de años de evolución, ha logrado solucionar varios problemas de forma muy eficiente y luego aplicar esas soluciones a la tecnología que se busca crear.”

-¿Podemos decir realmente que es un concepto nuevo? Da Vinci ya había concebido máquinas voladoras con alas como de murciélago.

-Mi opinión es que no hay un punto discreto en que uno diga esto es biomimética y esto no. Está claro que el velcro y los ojos de gato son ejemplos maravillosos de biomimética, pero cuando uno habla de Da Vinci o de los hermanos Wright, no estoy seguro de que se pueda llamar biomimética. Para mí es más bien un gradiente entre lo que no tiene nada que ver, por ejemplo, cuando un ingeniero crea un puente en una mesa de dibujo sabiendo los principios de Newton, hasta cuando uno observa la estructura ósea de la columna vertebral de un bóvido, un buey, y uno se da cuenta de que hay ciertas similitudes. Entonces uno puede crear sin salir absolutamente de la casa o puede irse directamente a estudiar la naturaleza, y hay puntos en donde se juntan esas dos cosas. Entonces creo que Leonardo da Vinci se inspiraba mucho en la naturaleza viendo procesos y mecanismos, pero no estoy tan claro de que podría definirse hoy en día como biomimesis. Insisto, la respuesta no es fácil, pero es básicamente porque no es discreto el momento en que las cosas empiezan a ser bioinspiradas. Tú mismo, cuando creas cosas, no puedes saber cuándo se te ocurrió completamente a ti o viene de otro lado.

-¿En qué disciplinas se puede aplicar la biomimética?

-La biomimesis tiene aplicaciones en la robótica en general. No sólo en la robótica física, sino también en la forma de programar las inteligencias artificiales que tratan de emular procesos de cognición de seres vivos, tecnologías médicas, nanotecnología, industria en general, etc. Lamentablemente se está usando mucho en defensa. Debemos saber que la defensa es muy importante para países con mucha plata, entonces todo lo que sea poder atacar mejor al enemigo, o defenderse mejor, es donde van a juntar las lucas. Están haciendo drones con forma de insecto, robots con forma de gusano para poder meterse por tuberías, en eso se está invirtiendo mucho.

-¿Cuáles son los aportes que la biomimesis puede hacer a la Ingeniería en general, más allá de la robótica?

-Los organismos vivos han tratado de lidiar contra altas presiones bajo el agua, bajas presiones en altitud, bajos niveles de oxígeno, fuerzas estructurales como tener grandes pesos, flexibilidad, agilidad, cognición, entender problemas y resolverlos, temperaturas (aislamiento térmico). Te estoy dando ejemplos de cosas que uno ve en cualquier documental y es, en el fondo, la diversidad de la vida. La diversidad, mediante los procesos de selección natural, es un mecanismo que nos explica cómo los animales han tenido adaptaciones para resolver los problemas que les entrega la naturaleza. Nosotros, como seres humanos, nos enfrentamos a los mismos problemas y los hemos enfrentado siempre. Pero creo que los hemos tratado de resolver desde la mesa de trabajo y la teoría física-matemática. Todo esto que he nombrado puede ser utilizado por la Ingeniería. Por ejemplo, si tenemos que generar un nuevo chaleco para estar en ambientes de frío extremo, vamos a la mesa de dibujo, borremos todo y pongamos a un animal como el oso polar, a ver qué pasa con él, con la refracción de la luz (porque su pelaje es blanco con base negra), qué pasa con la absorción de calor, con la teoría del cuerpo negro. Entonces puede ayudar a la Ingeniería en todas las soluciones que la naturaleza ha generado adaptativamente. Hacer puentes más robustos y eficientes, mejor aislación térmica, mejor asimilación de oxígeno, submarinos con mayor capacidad de enfrentar altas presiones, hacer más eficiente el vuelo. Procesos un poco más micro… Hay un gran profesor, Alexander McNeill, que tiene una teoría de que la biomimética está recién en pañales y que hay mucho que aprender, pero donde mayormente está el aporte de la biomimesis es en la escala micro o nanoscópica. Por ejemplo, procesos. Es decir, el velcro funciona, el ojo de gato funciona, un avión que vuele más o menos como un pájaro también puede funcionar, pero el futuro puede estar, por ejemplo, en procesos fotosintéticos: empezar a revisar lo que pasa con los fotosistemas de cloroplastos en las células vegetales, porque su eficiencia energética es extremadamente buena. Entonces deberíamos empezar a replantearnos nuestras placas fotovoltaicas y ver nuevamente a las plantas. Efectivamente los principios de Einstein funcionaron para hacer el principio fotovoltaico que se ganó el Nobel, y ahora lo usamos nosotros, que estamos ordeñando lo que más se pueda las fuentes lumínicas porque disminuiríamos el efecto invernadero y podríamos dejar de una vez por todas de quemar petróleo. Pero si queremos hacerlo bien, tenemos que volver a las plantas, ver cómo lo hacen, ver qué pasa con la clorofila del fotosistema 1, cómo se lo llevan los electrones, cuál es el proceso electrónico, molecular, que hace tan eficiente el proceso fotosintético de las plantas y que deberíamos tratar de utilizarlo nosotros. No es sólo hacer algo muy bonito y que se parezca a un animal. Todo lo que sean preguntas, problemáticas que la naturaleza haya resuelto, es donde podemos ir y la Ingeniería lo puede aprovechar. Por ejemplo, un ingeniero puede decir “necesito tener más fuerza con menor volumen o menor peso”. ¿Qué animal sabemos que tuvo este problema y lo ha resuelto? Vamos, lo encontramos, y apuesto a que su solución es más eficiente que lo que tenemos ahora. Y lo mejor de todo es que, como seres humanos, tenemos una carta bajo la manga: no tenemos los problemas de inercia filogenética que tienen los animales. Por ejemplo, un pájaro, desde un punto de vista aerodinámico, tiene un fuselaje (su cuerpo) que genera resistencia, resistencia parásita. Y esa resistencia parásita es inevitable, porque viene con el ser pájaro. No es un animal que sólo vuela, necesita tener cerebro, sistema digestivo, patas. ¿Por qué los aviones tienen fuselaje entre las alas? Porque tienen que llevarnos a nosotros, llevar carga, no sólo volar. Pero si uno quiere algo que solamente vuele, entonces sácale el fuselaje, que sean sólo un par de alas. Si los animales tienen que resolver problemas de resistencia, tienen que hacerlo con lo que tienen: el calcio en sus huesos. Pero si nosotros tenemos que resolver un problema así, no necesariamente tenemos que hacerlo con calcio, podemos hacerlo con fibra de carbono. Los animales no tienen una teleología de diseño, no dicen “yo quiero hacer esto para lograr esto otro”, vienen de un proceso de selección natural desde hace mucho tiempo. Pero nosotros tenemos la carta bajo la manga de hacer las cosas de nuevo, desde la nada y con otros materiales. Podemos ser más eficientes que la naturaleza, y esto no significa necesariamente que tenemos que ser soberbios al respecto. No tiene que ver con hacer las cosas mejor que la naturaleza o creerse Dios, la naturaleza tiene restricciones y compromisos evolutivos que nosotros no tenemos, no tenemos que rendirle cuentas a ningún proceso evolutivo, podemos hacer algo completamente de nuevo y con otros materiales.

-¿Cómo usas tú la biomimesis en tu investigación?

-Antes de eso voy a contar una historia, y su protagonista es el Dr. Robert Full. El Dr. Full trabaja en la Universidad de California en Berkeley, y estaba estudiando el geco, porque no se sabía cómo ese animal era capaz de trepar por cualquier superficie, no sólo verticales sino también patas arriba. Se pensaba que las patas tenían un efecto de ventosa, lo que sería raro porque si fuera así no podría adherirse a una superficie rugosa que estuviera en un techo, por ejemplo. Entonces empezó a investigar y usando un microscopio electrónico descubrió que la pata del geco, la superficie de la palma, tenía muchos pelitos. Y cuando miró los pelitos vieron que tenía pelitos más chicos, o sea unos “nanopelitos”, una cosa medio fractal que tiene la naturaleza y que también está en nosotros (nuestro intestino tiene pliegues, los pliegues tienen vellosidades, y estas a su vez, celularmente, tienen más vellosidades, todo para aumentar la superficie de contacto). Estos pelitos aumentan tanto la superficie de contacto, que logran adherirse usando las fuerzas de Van der Waals, que son las fuerzas más débiles de la naturaleza, una atracción atómica. Básicamente el geco camina y se adhiere a la superficie por atracciones atómicas en los pelitos en sus patas. Entonces, como la biología descubrió un principio físico que el geco utiliza, alumnos de Full, muchos de Ingeniería, empezaron a emular estos micropelitos en superficies que ahora se usan como adhesivos secos.

“Robert Full habla del mutualismo entre disciplinas, con lo que yo estoy muy de acuerdo y de lo que ya hablaba en mis clases de introducción a la biomecánica animal antes de saber que él hablaba de lo mismo. Cómo la Biología puede ayudar a la Ingeniería y cómo la Ingeniería puede ayudar a la Biología. La Biología entiende cómo funciona el principio del geco, entiende su biología para escalar, y la utilizamos haciendo un elemento tecnológico nuevo. Pero viceversa también funciona: cuando la Ingeniería estaba haciendo unos robotitos con vellosidades como los gecos para que se adhirieran, los construían con cabeza, patas, manos y cola de geco, y los hacían trepar. Y se dieron cuenta de que cuando le sacaban la cola, este robot geco no podía caminar. Y se preguntaron ¿para qué le sirve la cola a los gecos? Y entonces empezaron a hacer diferentes robots con diferentes colas y diferentes movimientos, y empezaron a hacer hipótesis biológicas que pusieron a prueba con estos artefactos bioinspirados. Entonces la Biología ayuda a la Ingeniería generando tecnologías bioinspiradas o biomiméticas, y la Ingeniería ayuda a la Biología al poner a prueba hipótesis biológicas. La interdisciplina puede generar respuestas a muchas preguntas. De hecho, en mi proyecto de postdoctorado que estoy haciendo con el AMTC estoy haciendo ese lado de la película utilizando herramientas ingenieriles (modelamiento 3D, robótica) para explicar cuál era la velocidad a la que podía llegar un tiranosaurio rex, ver si hacía o no cabeceo, qué pasa con la cola… Todas hipótesis de locomoción biomecánica del tiranosaurio rex, y que pueden ser aplicadas a todos los terópodos que no conocemos, gracias ¿a qué? A las herramientas que nos da la Ingeniería. La Ingeniería nos entrega los modelamientos 3D, las impresoras 3D, nos entrega la energética robótica con la que yo puedo poner a prueba estas hipótesis biomecánicas de animales extintos. Entonces, la Ingeniería me está ayudando a entender (y que todos entendamos un poco más) la Biología. Y yo les puedo devolver la mano entregando robots bioinspirados que puedan ser utilizados eventualmente en la Ingeniería y, quién sabe, también en minería, juegos, etc.

-¿Cómo estás aplicando la biomimesis en tus clases?

-Yo me metí un poco en la biomimesis sin quererlo porque en mi curso de introducción a la biomecánica animal en la FCFM, al final de cada curso yo les tenía que pedir un proyecto a los alumnos. Y esos proyectos, sin darme cuenta aún, eran proyectos bioinspirados. Les decía a todos esos estudiantes de Ingeniería “tráiganme un artefacto que sirva para algo y que resuelva algún problema mediante alguno de los principios que hemos visto en clases”. Y así me empezaron a llegar muchos proyectos (ya tengo como 60 o 70) que son extremadamente buenos. Algunos alumnos quieren hacerlos como proyectos de título o desarrollarlos como posibles negocios, y otros los tengo en el refrigerador. Pero son muy buenos, hay trasatlánticos cargueros que inyectan burbujas de aire al agua para resolver el problema del arrastre tal como lo hacen los pingüinos; hay aviones con otras formas que puedan aprovechar los vortex que se forman en las puntas de las alas, como los cóndores, y así sale un avión de tres alas con forma de V, donde la primera ala da sustento a las otras dos y se genera una gran eficiencia energética… Entonces empecé a hacerme cargo de muchos proyectos bioinspirados, y ahora veo que es muy interesante para la Facultad tener estos proyectos, que son muy interesantes y aplicables, y mejoran la vida además de ser fuente de negocios.

-¿Existe algún cetro de investigación o universidad que esté especializada en biomimética?

-Cuando empecé a hacer este curso me puse a investigar un poco y supe lo de Robert Full, que tiene equipos de ingenieros y biólogos. Pero indagué un poco más y vi que hay más centros, pero son más “ingenieriles”. Son ingenieros que se topan con un problema y que invitan a un par de biólogos para que les cuenten sobre mecanismos biológicos. Yo creo que falta. Y a mucho riesgo de equivocarme, no conozco ningún centro en Chile que se dedique exclusivamente a la biomimesis o a la bioinspiración en que haya igual número de ingenieros y de biólogos. Ingenieros y biólogos por separado pueden resolver problemas llamando a un par de investigadores de la otra disciplina, pero no hacen el mutualismo que se requiere en estos centros interdisciplinarios. Que haya contacto completo de expertos en ingeniería con expertos en biología para que cuando se unan impulsen todo el tiempo esta maquinaria que genere innovación y papers en revistas de corriente principal. Por un lado creamos innovación tecnológica, y al mismo tiempo estamos aumentando el conocimiento científico para la humanidad, todo eso en una misma disciplina. Entonces un centro interdisciplinario de biomimesis es lo que me gustaría desplegar en la FCFM, que es el lugar correcto donde debería funcionar porque están la infraestructura y el conocimiento para hacerlo. Pero mientras tanto, gracias al patrocinio del AMTC, estoy empezando a armar la carrera por ahí, pero esto está en pañales aún. Algo sé que hay chilenos que están dedicados a proyectos inspirados en la naturaleza, pero son muy particulares y son todos ingenieros. Necesitamos que sean muchos proyectos, que sea un centro donde se generen todo el tiempo estas nuevas tecnologías y que tenga más biólogos. Los biólogos también tienen que interesarse. Porque en este centro se generarían estas dos cosas: tecnología y conocimiento.

“Chile requiere (y se merece) esto por la naturaleza tan diversa que posee. Tenemos organismos que han tenido que resolver problemas de sequedad, altitud, humedad y frío, diferentes variables con qué lidiar, y los han resuelto muy bien. Por lo tanto Chile se merece algún centro, instituto o laboratorio que se dedique exclusivamente a proyectos biomiméticos o bioinspirados de innovación tecnológica, que entregue nuevos conocimientos de ciencias básicas mediante herramientas ingenieriles y que involucre a individuos de diferentes disciplinas.”

La serie de charlas se inicia mañana 12 de abril en el Aula Magna de la Universidad Austral, Valdivia. Continúa el 19 abril en Antofagasta, el 20 de abril en Calama, del 28 al 31 de mayo en la Región de Magallanes y el 3 de agosto en Chillán.



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