Christian Meier
La fuerza no depende sólo de la masa muscular. Lo demuestran los árboles, que elevan sus ramas, o los granos de trigo silvestre, que se entierran por sí solos en el suelo. Peter Fratzl y sus colaboradores del Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenz-flächenforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de Coloides y Superficies Límite) estudian los materiales que permiten a las plantas realizar estos esfuerzos, y con base en los principios que descubren, construyen músculos sintéticos y materiales especialmente rígidos.
Los árboles no tienen músculos, al menos no de carne y sangre. Y, no obstante, levantan su propio peso y crecen en dirección al cielo. «Cuando una ramita se convierte en rama, crecen células de madera similares a músculos, para soportar el peso en aumento», dice Peter Fratzl, director del Departamento de Biomateriales del Instituto Max Planck para la Investigación de Coloides y Superficies Límite, de Golm, cerca de Potsdam. Los músculos de madera doblan hacia arriba, verticalmente, el tronco de un abeto que crece en una ladera. «Ahora comprendemos cómo hacen esto los árboles», dice el físico.
MÚSCULO ARTIFICIAL
Con base en estos conocimientos, los investigadores han desarrollado un músculo artificial que convierte los cambios en la humedad del aire en movimiento. Este descubrimiento no fue una casualidad.
Los científicos de Golm buscan sistemáticamente inventos de la naturaleza, ayudas que sirvan a los técnicos como base para crear nuevas propulsiones, válvulas microscópicas o materiales ligeros y, no obstante, robustos. Para esta búsqueda los científicos despliegan un arsenal de equipos de laboratorio y métodos de cálculo matemáticos, pues la naturaleza no muestra sus secretos fácilmente. Según Peter Fratzl, resulta tan difícil copiar los inventos de la naturaleza, porque la estructura de los organismos es muy compleja.
Para ilustrarlo, toma como ejemplo los robots: «Su marcha era antes muy rígida y parecía un poco torpe», nos dice. «Los muslos y articulaciones rígidos no bastan para copiar el caminar ágil de los seres humanos».
Esto se consigue sólo mediante la compleja interacción de huesos rígidos con músculos y tendones elásticos. «Los técnicos tuvieron que comprender primero el papel que desempeñan los diferentes componentes del aparato locomotor antes de poder construir un robot que caminase como una persona».
La simple copia casi nunca es posible, también por otros motivos. «Desde la perspectiva de los ingenieros, la naturaleza no ofrece siempre la mejor solución», dice Fratzl.
Por ejemplo, a un ingeniero se le podría ocurrir copiar un hueso para obtener así un material robusto y a la vez ligero.
Pero los huesos no son sólo los pilares portantes del cuerpo, sino que almacenan también sus iones y albergan la médula ósea.
«El mismo tejido biológico puede tener diferentes funciones», agrega Fratzl. Los huesos, los músculos y las ramas son polifacéticos, la respuesta a una cantidad innumerable de problemas con los que se vio confrontado el organismo durante la evolución.
«Nosotros no sabemos a qué condiciones medioambientales tuvo que adaptarse un tejido durante su evolución», señala Fratzl.
El bioingeniero holandés Rik Huiskes resume el pro-blema de la siguiente forma: «Si los huesos son la respuesta, ¿cuál es la pregunta?»
EL AGUA DA FUERZA A LOS MÚSCULOS DE MADERA
Los investigadores todavía no saben qué tareas son las que el tejido realiza mejor y cuáles, por así decirlo, podrían considerarse secundarias. Para averiguarlo, los científicos del Instituto Max Planck de Golm estudian partes de plantas, células o huesos, bajo las condiciones imperantes en la naturaleza.
«Intentamos dejar al descubierto el núcleo principal de las funciones individuales del tejido», dice Fratzl.
Los ingenieros pueden modificar entonces esos principios funcionales de manera que la solución técnica cumpla su finalidad de la mejor forma posible.
ESPONJA DE HEMICELULOSA
Los científicos tienen ya una pista del principio funcional de los músculos de madera. La envoltura de las células de madera tubulares puede absorber agua como una esponja. Esto es posible gracias a un entramado poroso de hemicelulosa, una macromolécula similar a la celulosa.
Esta esponja de hemicelulosa es atravesada por fibras de celulosa, que parecen los cables portantes de un puente colgante. Esos hilos son cien mil veces más finos que un cabello humano, pero extremadamente rígidos, y pueden soportar grandes cargas sin expandirse. Son unas cien veces más rígidos que la esponja que los rodea y con la que están firmemente unidos.
Cuando la esponja de hemicelulosa absorbe agua, se hincha. Las fibras de celulosa, en cambio, no absorben agua. La orientación de las fibras de celulosa decide entonces si la célula de madera se estira o se encoge.
Dado que las fibras de celulosa húmedas no se expanden, la célula de madera sólo se puede expandir verticalmente con respecto a ellas.
Esto significa que si las fibras están en posición transversal respecto a la rama, las células de madera se expanden en la dirección longitudinal de la rama.
En cambio, cuando las fibras transcurren casi paralelamente a la rama, ocurre otra cosa: «A pesar de que la célula en total se hincha, se contrae en la dirección de la rama», dice Ingo Burgert, uno de los científicos del departamento de Peter Fratzl. Las fibras de celulosa húmedas se tuercen y se acortan.
Esto es, las células con este tipo de fibras pueden tirar de la rama. «Cuando aumenta la carga que debe soportar una rama, se forman en el lado superior células que tiran de ella y en el lado inferior células que la empujan», explica Burgert.
FUERZA DE TRACCIÓN O DE EMPUJE
El árbol vivo abastece a las células siempre con suficiente agua para que puedan mantener su fuerza de tracción o de empuje. Las ramas muertas absorben, en cambio, humedad del aire. Los seres humanos utilizan este hecho desde tiempos inmemoriales para pronosticar el tiempo: para hacerlo, clavan una rama del grosor de un dedo en una tabla. Unos pocos centímetros sobre su extremo tallan la palabra lluvia en la tabla; un poco más abajo, la palabra sol.
Cuando la humedad del aire aumenta y anuncia lluvia, las paredes de las células de madera se llenan de agua. Las células de la parte inferior de la pequeña rama se expanden, mientras que las de la parte superior se retraen. Como consecuencia, la rama se dobla varios centímetros hacia arriba.
PATALEAR AL RITMO DEL DÍA Y DE LA NOCHE
Y eso a pesar de que cada una de las miles de millones de células de madera se alarga o se acorta sólo en unas pocas milésimas de milímetro. Los investigadores de Golm han captado estos cambios diminutos con una cámara de vídeo de alta resolución. Los científicos quieren investigar ahora las células con mayor exactitud. «Queremos saber cómo cambian las fibras de celulosa cuando expandimos las células de madera», dice Burgert. «Los módulos mediante los cuales la naturaleza confecciona sus tejidos son moléculas individuales. Nos interesa la relación entre las características mecánicas, tales como la elasticidad o la resis-tencia a la flexión, y la estructura molecular del tejido».
Para determinarla, los científicos han construido una especie de banco de estiramiento al que pueden fijar células individuales. Mientras expanden allí las células de madera, los investigadores las irradian también con luz láser. La luz dispersa les indica la forma en que cambian las cadenas de moléculas bajo la carga. Además, miden la rigidez de las partes de las plantas con un equipo de medición de ultrasonidos. Y determinan la orientación de las fibras de celulosa mediante la dispersión de rayos X.
LOS GRANOS DE TRIGO
Rivka Elbaum también se ha servido de los rayos X para investigar otra muestra de fuerza de la naturaleza, cuya fuente es la humedad del aire, que disminuye durante el día y vuelve a aumentar por la noche. Esta becaria Humboldt ha acla-rado en el instituto de Golm la forma en que los granos del trigo silvestre se introducen en el suelo. Las dos prolongaciones en forma de antena de los granos de trigo, denominadas aristas, patalean durante el proceso como las ancas de una rana, aunque mucho más lentamente; a saber, al ritmo de la noche húmeda y del día seco.
Las aristas disponen un poco más arriba del grano de una especie de articulación compuesta de células similares a las de los músculos de madera. Las fibras de celulosa de las células del lado interior de la articulación están ordenadas paralelamente a la arista, mientras que en el lado exterior forman un entramado desordenado. Cuando la humedad aumenta por la noche, la arista se llena de agua. Así, el bulto de fibras de celulosa ordenadas se hincha, pero no se alarga. El bulto desordenado, en cambio, se expande en todas las direcciones, también a lo largo de las aristas. El lado exterior de la arista se estira de esta manera, y la arista se empina. Ambas prolongaciones se encuentran entonces muy cerca la una de la otra.
Durante el día ocurre lo contrario: las antenas se doblan y se separan. Pero el pataleo al ritmo del día y de la noche no basta para que el grano de trigo pueda ente-rrarse en el suelo. Las aristas tienen, además, diminutas fibras de vidrio similares a agujas, que se ramifican en la dirección opuesta al grano de trigo. Las agujas funcionan como ganchos, algo que se puede percibir claramente: pasando el dedo sobre el grano en la dirección opuesta a él, las aristas se perciben como si fueran flexibles.
Pasando el dedo sobre ellas en dirección al grano, se siente la resistencia de las fibras. Las agujas proporcionan a las aristas estabilidad en el suelo. Cuando las antenas se separan durante el día, los ganchos se introducen un poco más en la tierra. Y cuando las aristas se estiran durante la noche, las finas fibras de vidrio se enganchan en la tierra, de manera que la semilla pueda enterrarse un poco más en el suelo, en vez de deslizarse hacia afuera. Al día siguiente las aristas vuelven a doblarse y a separarse para volver a tensar el taladro integrado del grano de trigo.
«El principio en el que se basan las células de madera parecidas a músculos y las aristas móviles es el mismo», dice Fratzl. «Las células están formadas por un componente rígido inflexible alojado en un gel elástico. Ambos componentes están unidos fijamente entre sí». Cuando el gel se seca y se encoge, se crea una tensión en la unión, como en una red de fibras de goma que se retraen. «Esa tensión almacena energía y puede, por tanto, realizar un esfuerzo», explica el físico.
Los técnicos pueden formar materiales activos a base de diferentes componentes rígidos y flexibles. Estos nuevos compuestos son totalmente diferentes a los músculos y motores artificiales creados hasta ahora. «El material y el motor son lo mismo», dice Fratzl. No se trata de una máquina compuesta de piezas individuales. Además, el material activo trabaja independientemente; no es necesario controlarlo.
«Al igual que en las aristas, la propulsión se podría orientar por el ciclo de humedad diario», añade Fratzl. «El trabajo no se podría solicitar discrecionalmente, pero tampoco costaría nada». Fratzl se puede imaginar que un día los materiales activos sean utilizados para hacer que las celdas solares sigan el movimiento del sol durante el día en forma muy similar a aquella en que trabajan los musculos de madera o las aristas.
DISPONIBILIDAD DE MATERIAS PRIMAS
Esos músculos artificiales estarían construidos según un principio similar al de los modelos vegetales naturales, pero podrían estar hechos de un material totalmente diferente. Incluso debería ser así, opina Fratzl: las plantas y los animales debieron conformarse en el transcurso de la evolución con muy pocas materias primas y adaptarse a las condiciones medioambientales imperantes. «La naturaleza no puede fabricar, por ejemplo, aleaciones de metal, porque para ello se requieren frecuentemente mil grados centígrados», dice el físico. En cambio, los ingenieros dis-ponen de muchas más materias primas que un abeto en una árida ladera.
Los investigadores del Max-Planck-Institut für Kollo-idund Grenzflächenforschung (Instituto Max Planck para la Investigación de Coloides y Superficies Límite) y de la empresa estadounidense Bell Laboratories están aprovechando ahora esta ventaja. Han desarrollado un material activo que sólo toma de la naturaleza el principio básico: un componente rígido y uno suave unidos fijamente entre sí. Para la parte rígida, los científicos eligieron bastoncillos de silicio mil veces más finos que un cabello humano y de sólo unas pocas milésimas de milímetro de largo. El componente flexible recuerda al gel de los músculos vegetales. Está formado por un entramado de fibras de plástico que pueden absorber agua. Los científicos lo denominan hidrogel.
COMO TALLOS DE CARRIZO EN EL AGUA
Al igual que el gel natural se hincha mucho cuando se llena de agua, los investigadores reparten el hidrogel húmedo sobre una base de vidrio y forman con él una película de pocas milésimas de milímetro de grosor. En el gel insertan bastoncillos de silicio, de manera que queden erguidos en el agua, como tallos de carrizo. A continuación, calientan un poco la muestra para que los bastoncillos se unan químicamente al hidrogel y queden anclados fijamente.
Cuando el gel se seca y se retrae, los nano-bastoncillos de silicio se colocan en posición horizontal. De esa manera reducen la distancia entre unos y otros y ceden a la tracción del hidrogel que se encoge. Los investigadores han observado que se forman superficies en las que todos los bastoncillos están en disposición paralela, de forma parecida a un campo de trigo después de una lluvia intensa. «Cuando se aplica la película de hidrogel con un grosor menor, todos los nano-bastoncillos caen en la misma dirección», dice Fratzl.
Los investigadores controlan en una cámara húmeda el contenido de agua del hidrogel y, con ello, el ángulo de caída de los bastoncillos de silicio. Los bastoncillos se vuelven a empinar cada vez que se restablece la humedad de aire original. Esto es muy importante para una aplicación técnica, pues el nuevo material sólo podrá realizar algún trabajo si se puede invertir el movimiento; de lo contrario, sería como una rueda dentada atascada.
Una vez que su primer material activo funcionó, el equipo de investigadores fue un paso más allá del principio natural. Se preguntaron qué es lo que ocurre cuando se doblan los bastoncillos de silicio. Para averiguarlo, formaron una especie de césped de nano-bastoncillos, cuyos tallos estaban unidos fijamente a una placa de silicio. Entre los bastoncillos distribuyeron una capa fina de hidrogel, de la que sobresalía aproximadamente la mitad de la longitud de los nano-bastoncillos.
Cuando el gel se seca ocurre algo parecido a lo que sucede en una película de agua fina sobre una base plana: para reducir su superficie, el gel forma gotas. Las gotas emergen siempre entre cuatro bastoncillos de silicio. Cuando el gel se seca aún más, las perlas de gel se encogen y doblan los cuatro bastoncillos de silicio acercándolos unos a otros, como si de los dedos de una garra se tratara. Esa garra microscópica también se puede volver a abrir de la misma manera en que se vuelven a empinar los nano-bastoncillos caídos, suspendidos en el gel.
«Los patrones de movimiento tan complejos como éstos no se pueden rea-lizar con los músculos artificiales desarrollados hasta ahora, en los que unas piezas de plástico se mueven mediante campos eléctricos y magnéticos», es-cribieron los investigadores en enero de 2007 en la revista científica Science.
NUEVO COMPUESTO DE FIBRAS
Los investigadores de Golm quieren aprovechar ahora una función totalmente diferente de las células vegetales similares a músculos, que podría ser útil para la construcción de aviones o de bicicletas. Los científicos del Instituto Max Planck construyeron, junto con el Institut für Textil- und Faserforschung (Instituto para la Investigación de los Textiles y las Fibras) de Denkendorf, cerca de Stuttgart, y la Universidad de Friburgo, un nuevo compuesto de fibras más resistente y menos propenso a las roturas que los materiales de ese tipo producidos hasta ahora.
Los compuestos de fibras tienen ya ahora mucho en común con su modelo vegetal: las fibras rígidas de vidrio, carbono y cerámica están alojadas en un plástico suave. Las fibras confieren al material su resistencia, y el plástico lo hace maleable. El resultado es un material ligero y, al mismo tiempo, resis-tente. El nuevo Boeing 787, por ejemplo, se construye con un compuesto de fibras de carbono de este tipo.
UNA MARAÑA RESISTENTE
Pero su peso reducido conlleva también una desventaja: los compuestos de fibras vibran con facilidad. Las vibraciones no sólo producen ruido. «Son veneno para un material», dice Markus Milwich, científico del Instituto de Investigación de Textiles de Denkendorf. «Las vibraciones hacen que el material se vuelva poroso a largo plazo, hasta que en algún momento se rompe», explica el ingeniero.
A pesar de que las células de madera tienen una estructura similar a la de los compuestos de fibras, los árboles soportan fuertes tormentas y no se rompen fácilmente. «Las células de las plantas usan un truco para permanecer resis-tentes», explica Ingo Burgert.
Los hilos de hemicelulosa de la esponja suave están unidos fijamente a los cordones de celulosa. Hay hilos cortos y largos, que entran en la esponja hasta profundidades distintas. Por tanto, la maraña de fibras de hemicelulosa se vuelve cada vez menos densa, a medida que aumenta la distancia.
De esa forma, la rigidez de las fibras de celulosa se transforma paulatinamente en la flexibilidad de la esponja que las rodea. El tronco sólo se rompe cuando se ha roto una cantidad sumamente grande de esas fibras microscópicas.
En el Instituto para la Investigación de los Textiles y las Fibras, los ingenieros han imitado el principio natural mediante nanopartículas de óxido de silicio. Sumergen fibras de vidrio en una solución de nanopartículas antes de empotrarlas en resina sintética. Las nanopartículas se adhieren a las fibras, formando una capa fina. «La envoltura de nanopartículas es más blanda que las fibras de vidrio, pero más rígida que la resina», dice Milwich.
Al igual que en las plantas, existe entonces una transición entre rígido y flexible.
Los científicos probaron el nuevo material y quedaron sorprendidos: las nanopartículas no sólo confieren mayor elasticidad al material de fibras de vidrio, sino que hacen también que los bastoncillos de prueba vibren menos. «Ahora intentaremos acercarnos aún más al modelo natural».
Quieren empacar las fibras de vidrio en varias envolturas de nanopartículas cuya rigidez decrezca hacia afuera, para obtener una transición paulatina de las fibras a la resina. Los investigadores esperan que el material atenúe mejor las vibraciones.
Si tuvieran éxito, la utilización de compuestos de fibras podría llegar a ser mucho más económica, dice Milwich.
«En la construcción de aviones, las vibraciones se atenúan mediante láminas adicionales», continúa diciendo el inge-niero. «Si el propio compuesto suprimiera las vibraciones, esto ya no sería necesario».
Así, los ingenieros vuelven a descubrir la madera no sólo como material, sino sobre todo como fuente de ideas.
