La quimera de crear músculos artificiales

Desde arquear las cejas a levantar 100 kilos de peso, de arquear el pie porque se sienten cosquillas a golpear un balón de fútbol, todos los movimientos conscientes e inconscientes de nuestro cuerpo dependen del juego de extensiones y contracciones de esos manojos de fibras que llamamos músculos. Desde hace tiempo, la ciencia ha fabricado algunos polímeros artificiales que pueden extenderse y contraerse en función de estímulos concretos. Pero imitar sintéticamente la formidable dinámica de nuestra musculatura, de momento, es una quimera.

Un reciente hallazgo puede que suponga un paso adelante en ese sueño de fabricar músculos artificiales plenamente funcionales. Un equipo de investigadores del la Asociación Americana de Química ha desarrollado una serie de materiales elásticos de tipo film que responden a descargas eléctricas de muy baja potencia. Hasta ahora, los polímeros con los que se había trabajado requerían de grandes descargas eléctricas para contraerse o estirarse, lo que les hacía absolutamente descartables para su aplicación en el cuerpo humano.

Los músculos artificiales pueden ser un avance fundamental en el futuro de la medicina. Su desarrollo permitiría que elementos como las prótesis robotizadas se movieran de una manera mucho más parecida a la de los miembros del cuerpo. Incluso podrían utilizarse para fabricar órganos artificiales. Imaginemos una persona amputada que debe llevar una prótesis de brazo. A pesar de que estos dispositivos han evolucionado espectacularmente en los últimos años, todavía hoy los movimientos que permiten realizar distan de las funcionalidades de un brazo real.

El motivo es que carecen de la versatilidad que proporciona el amplio espectro de extensiones y contracciones que permite el músculo real. Por otra parte, los últimos avances en regeneración de órganos permiten plantear en un futuro no muy lejano la creación de tejidos de laboratorio para sustituir tejidos humanos dañados, por ejemplo tejido cardiaco. Pero para generar un corazón artificial completo es necesario que esos tejidos se contraigan y relajen de la manera más parecida a como lo hace un corazón bombeando sangre.

Polímero dieléctrico

En la actualidad, se conoce muy bien el funcionamiento de un tipo de polímero dieléctrico conocido como Bottlebrush (se trata de materiales compuestos de grandes cadenas de moléculas) que reaccionan a campos eléctricos con facilidad. Pero los campos requeridos son de gran intensidad, del orden de 4.000 voltios por milímetro (mucho más de los 50 voltios que se recomiendan para ser aplicados con seguridad en un dispositivo humano). Estos materiales permanecen en estado blando en su origen pero se tensan cuando reciben un estímulo. Además se puede modificar su estado en las dos direcciones: de tenso a blando y viceversa.

La clave de este tipo de dispositivos es su espesor. Los materiales usados hasta ahora son muy anchos y por eso requieren más energía para ser estirados o relajados. Reducir su espesor es el reto al que se enfrentan todos los ingenieros encargados de idear proyectos de músculo artificial.

La nueva investigación va en esa dirección. Los científicos liderados por la doctora Dorina Opris, han sintetizado un conjunto de polímeros bottlebrush compuestos por varios tipos de moléculas, entre ellas el polidimetilsiloxano, una silicona que se emplea en muchas aplicaciones industriales, desde la sujeción de suelos en agricultura a la fabricación de juguetes flexibles para niños. A ese nuevo material se la ha sometido a un tratamiento con luz ultravioleta. Como resultado se ha conseguido una película de menos de 60 nanómetros de grosor con una capacidad electroactiva mayor que la de los polímeros más gruesos hasta ahora utilizados. Al aplicarles tensiones de 1.000 voltios, estas fibras podían expandirse y contraerse 10.000 veces antes de empezar a deteriorarse. Con 800 voltios la reacción era igual de evidente pero de menor longitud.

Obviamente, aún se está muy lejos de llegar a los 50 voltios de seguridad requeridos, pero los investigadores piensan que, con algunos retoques, el material podría utilizarse algún día para desarrollar implantes duraderos y dispositivos médicos que funciones con voltajes más seguros.

Hace menos de un mes, una investigación similar anticipó también otra posible aproximación a la creación de músculos artificiales.

Un equipo internacional de investigadores de instituciones como el Instituto Max Plank para Sistemas Inteligentes de Alemania y la Universidad de Colorado en Estados Unidos, presentó un bioplástico totalmente biodegradable con aplicaciones similares a las de los polímeros antes mencionados. En este caso, la aplicación inicial no es la medicina. Con esta especie de gelatina plástica se pudieron fabricar unas pinzas capaces de sujetar y cerrar recipientes como una bolsa de basura. La idea de estos investigadores era proporcionar mecanismos de sujeción industriales que sean totalmente respetuosos con el medioambiente. Por ejemplo, se pueden aplicar a manos robotizadas o herramientas que funcionen automáticamente en la tarea de recogida de desechos o basuras. Al ser biodegradables pueden hacerse desaparecer junto a las mismas basuras sin generar un perjuicio al medio ambiente.

Funciones diversas

El desarrollo de músculos artificiales biodegradables abre un abanico de posibilidades en la industria. Incorporando estos materiales se puede reducir considerablemente el impacto ambiental de la robótica. Los nuevos robots que se muevan gracias a esta musculatura artificial pueden ser empleados en tareas agrícolas, en extinción de incendios o en trabajos de monitoreo de suelos y aguas. Incluso podrían ser componentes habituales de la industria del gran consumo y de la juguetería, logrando la producción de robots domésticos y juguetes inteligentes con materiales no contaminantes.

Uno de los principales problemas a los que se enfrenta la robótica es que se trata de una actividad dependiente de materiales de gran impacto ambiental. Los metales y plásticos utilizados para la mecánica de los dispositivos dejan una fuerte huella de carbono en sus producción. Hay que tener en cuenta que los aparatos electrónicos generan cerca de 53 millones de toneladas de desechos no reciclables al año en todo el mundo y buena parte de ellos pertenece a dispositivos autónomos con algún grado de automatización. Los llamados «dispositivos blandos» (aquellos que utilizan materiales dinámicos que funcionan como estos músculos artificiales) son sin duda una solución de futuro para una industria que prevé un crecimiento exponencial en el futuro próximo. Sin contar con las aplicaciones médicas que podrían derivarse del uso de materiales que imiten a la perfección (o casi) la musculatura de un ser humano sano.