Quiero hablarles hoy sobre tres áreas de la ciencia y la ingeniería
que creo que están convergiendo de forma bastante interesante.
Soy ingeniero mecánico,
he trabajado en robótica más de 25 años,
he estado en micro y nanotecnologías durante más de 15 años
y en la última década, desde que estoy en Zúrich,
he trabajado más de cerca con biólogos y médicos
y creo que las tecnologías en las que trabajamos
y nuestra visión del futuro, tiene implicaciones muy interesantes.
Pero en lugar de hablarles de eso,
lo que les quiero mostrar es un segmento de un vídeo de Hollywood
que de hecho es casi tan viejo como yo.
(Vídeo) Hombre: Todas las estaciones, quietas.
(Risas)
(Vídeo) Hombre: Correcto. Inyecta.
"Viaje alucinante", es un clásico.
Me encanta esta película.
Hollywood tiene dos ventajas cuando crea películas, respecto a un ingeniero:
no se tienen que preocupar por la física,
no tienen que hacer las cosas.
Lo que les quiero enseñar hoy
es una animación hecha para nosotros por el Discovery Channel.
Visitaron mi laboratorio hace un año y medio.
Aparecimos en uno de sus programas
y juntaron estos conceptos de hacia dónde vamos
y en lo que hemos trabajado durante varios años,
lo que llamamos microrobots, que inyectamos en el ojo.
aún no lo hemos hecho en un humano,
pero lo inyectamos en el ojo
y usamos campos magnéticos para guiar el dispositivo a la retina
y realizar ciertas terapias retinales, por ejemplo, liberar fármacos.
Vieron ahí, en el paciente,
la secuencia de bobinas electromagnéticas que usamos.
Esto que están viendo es en el ojo real de un cerdo,
este ojo de cerdo vino del carnicero esa mañana,
así que no lastimamos animales al hacer esto.
(Risas)
Lo que ven es que somos capaces de controlar con precisión el dispositivo,
ese dispositivo mide alrededor de 0.5 mm,
alrededor de 1 mm de largo, para darles una idea del tamaño.
Y en la siguiente diapositiva,
ven a la izquierda el sistema de bobinas electromagnéticas que usamos,
con las que hacemos pruebas 'in vivo' .
Hay ocho de estas bobinas,
lo llamamos el OctoMag
y controlamos la corriente en cada una de ellas con precisión
para guiar al dispositivo a través de la cavidad ocular
hasta la retina.
Verán uno de nuestros dispositivos más recientes en la punta del dedo.
A ese en particular, lo llamamos microrobot;
mide alrededor de 1/3 mm de diámetro, 330 micras de diámetro.
Y nuestras especificaciones de diseño
la razón por la que lo queremos tan fino,
mide como 1,8 mm de largo,
es porque queremos que quepa dentro de una aguja de calibre 23.
Si cabe en una aguja de 23G y lo inyectamos en su ojo,
al quitarlo, la punción no necesita sutura.
Es relativamente no invasiva,
simplemente se pone un poco de anestesia tópica y listos.
Para inyectar fármacos para tratar la degeneración muscular
esa aguja, no los microrobots,
debería decir.
Pero ese robot que les acabo de mostrar, que ven en la yema de un dedo,
es el robot más grande que hacemos.
Mi meta es hacer robots que sean 1000 veces más pequeños que ese,
del tamaño, por ejemplo, de esta bacteria de E. coli.
Estas bacterias en forma de varilla miden 1 o 2 micras,
que es como 1/100 del ancho de un cabello.
¿Ven esas colas saliendo de ellos?
Hablaremos de eso después.
Pero antes de que hablemos de bacterias,
les quiero hablar un poco física y de las restricciones que nos presenta,
así que haremos un experimento mental.
Tomemos un cubo.
Mide un metro por lado
y no necesito una calculadora para calcularlo.
1 m por 1 m por 1 m es 1 m cúbico, ¿verdad?
Pero si tomo ese cubo y lo encojo a 10 cm,
lo reduzco en un factor de 10,
ese cálculo cambia
porque estoy tomando un lado por un lado por un lado,
y de repente, se convierte en 1/1000 de su volumen original,
por lo que las propiedades que dependen del volumen,
por ejemplo, la masa,
también disminuye en un factor de 1000.
Ahora, si disminuyo 100 veces más, a 1 cm,
ahora, ha disminuido un millón de veces.
Por tanto, el volumen...
Como dije, el peso, decrece un millón de veces,
pero también las fuerzas magnéticas que generamos disminuyen
porque también se escalan con la masa del objeto.
Por lo que pueden decir: "Si pesa menos, ¿cuál es el problema?"
Pero ahora, pensemos en la superfície del cubo.
Tiene 6 caras, cada cara es 1 m cuadrado.
Hay 6 m cuadrados en ese cubo.
Sobre el volumen de 1, una proporción de 6.
Pero mientras lo encogemos, esa área es solo un lado por lado,
por lo que cada vez que disminuimos en un factor de 10,
la importancia del área de la superficie aumenta en un factor de 10.
Y eso trae problemas.
No puedo hacer robots
y guiarlos con campos magnéticos de la forma que se lo mostré con el ojo,
no puedo hacerlos más pequeños de lo que los he hecho.
Y, ¿cuáles son las implicaciones?
Piensen en un pez y cómo nada un pez.
Un pez mueve la cola hacia atrás y adelante con movimientos recíprocos.
Empuja la masa de fluido hacia atrás y moviéndose por sí mismo hacia adelante.
La primera ley de Newton.
También Geoffrey Taylor, professor en Cambridge,
pensó en esto y publicó artículos científicos muy importantes en los años 50
e hizo un pequeño pez mecánico solo para mostrar cómo funcionaría en el agua
y nada justo como lo hubieran imaginado.
Pero si tomo ese pez
o le tomo a Ud., y lo hago 1000 o 10 000 veces más pequeño
y lo pongo en el agua, de repente, esa agua se sentiría,
a pesar de tener la misma viscosidad,
los efectos de la superficie o la fuerza del agua
sería mucho más fuerte en Ud.
Y lo que hizo Geoffrey Taylor,
este es un vídeo que hizo en 1960,
es que tomó un contenedor de algo muy viscoso,
creo en el Reino Unido, se conoce como "Lyle's Golden Syrup"
y creo que es lo que usó.
Así que tomó su robot,
un pequeño pez mecánico,
lo puso ahí y no va a ningún lado
porque la fuerza del fluido es tan fuerte
y la masa que empuja es mucho menor,
por lo que no se mueve.
Y ese es el problema cuando disminuimos el tamaño,
es que tenemos que pensar de nuevo la forma en la que las cosas nadan
y la forma en la que se mueven.
Si Ud. es ingeniero y no sabe cómo resolver un problema,
¿qué hace?
Va a la naturaleza y piensa: "¿Cómo lo resolvió la naturaleza?"
La naturaleza resolvió este problema hace millones, miles de millones de años.
Sabemos que existen paramecios.
¿Ven los espermatozoides a la derecha?
Tienen pequeños cabellos especiales, llamados cilios,
estos flagelos para los espermas, como los llamamos,
se mueven de formas muy interesantes.
Antes de 1675 nadie sabía que estas cosas existían.
Antonie van Leeuwenhoek, en Holanda, estaba mirando por su microscopio,
y estaba asombrado
de ver un mundo de muchos miles de pequeños microorganismos nadando,
y escribió una carta a la Royal Society el año siguiente,
verificaron sus resultados;
la gente estaba asombrada, de lo que ocurría.
Y lo que van Leeuwenhoek vio en el microscopio,
era la primera vez que alguien veía una bacteria.
En este gráfico de uno de los de forma de varilla,
mide 1 o 2 micrómetros de largo.
Y mientras los ven en el microscopio,
vieron el que les mostré de E. coli,
se darán cuenta que tiene un pequeño flagelo.
Y mientras lo ven en el microscopio,
lo que ven es este flagelo que se mueve hacia atrás y adelante,
pero si lo pudieran ver desde otra perspectiva,
se darían cuenta de que no se mueve hacia atrás y adelante: está rotando.
Y Howard Berg,
cuando estaba en la Universidad de Colorado, en los 70, descubrió esto,
y lo que descubrió fue asombroso:
la naturaleza ha inventado un motor giratorio.
Piénsenlo.
¿En qué otro lugar de la naturaleza hay un motor giratorio?
Y Howard ha estado en nuestro laboratorio y nos ha aconsejado qué hacer.
Él les llama "los microrobots de la naturaleza".
El cuerpo de la bacteria tiene sensores, quimioreceptores.
Esos quimioreceptores se comunican con el motor de la parte trasera,
para conducirlo.
También hay software ahí.
El software son los segmentos de ADN flotando alrededor.
Solo le dicen qué partes hacer
para seguir construyendo los sensores necesarios.
Y el motor es una estructura fascinante.
Desde que Howard descubrió estos motores bacterianos en 1973
lo que, por cierto, mucha gente cree que es evidencia de un diseñador inteligente,
pero no creo que la mayoría de los biólogos lo crean.
Estos motores están hechos de 30 a 40 proteínas.
Forman esta estructura
que gira hasta 160 revoluciones por segundo.
Y ven ahí a la derecha, un vídeo del laboratorio de Howard
de una bacteria fluorescente nadando a estas velocidades.
Recuerden que el tamaño de estas bacterias es de 1 o 2 micrómetros.
Vimos esto y pensamos:
"¿Qué podemos aprender de esto?
¿Cómo aprovecharlo?"
Así que aprovechamos nuestra experiencia en nanotecnología
para construir algo llamado "bacteria artificial con flagelo".
Todavía no puedo hacer ese motor.
Ese motor mide unos 45 nanómetros de diámetro.
Pero lo que puedo hacer es el flagelo
de un tamaño y forma similar a esa bacteria.
Y en la parte frontal, a la izquierda, ven que se ve como una cabeza
y lo que en realidad es, es una pequeña pieza de imán,
y lo que puedo hacer con ese imán
es generar una rotación con un campo magnético
y mientras roto ese campo
y estos son campos muy pequeños,
miden unas 1000 veces menos que un campo de IRM,
empiezan a girar
y mientras gira, avanza hacia adelante,
como el E. coli.
Para darle una idea de la escala de la que hablamos,
esta es una micrografía de barrido electrónica de un cabello humano,
mide unos 100 micrómetros de diámetro.
Este es el tamaño de nuestra bacteria más pequeña,
estas concretamente, miden unos 10 micras,
y este es el tamaño de un eritrocito.
Así que tenemos el doble.
Nuestras bacterias más pequeñas miden casi 2 veces el tamaño de un eritrocito.
Aquí hay 3 de ellas nadando juntas como si fueran un enjambre.
Para mí, parecen vivas.
Me emociono cuando hacemos esto, ¿saben?
(Risas)
Por eso hago robótica.
No hay nada más divertido que construir una máquina y verla moverse.
Notarán que comienzan a ir hacia atrás.
No invertí el vídeo, invertí el campo.
Se puede explorar una dinámica de fluidos muy interesante
y es bastante interesante.
Una cosa interesante este año fue cuando estábamos en la librería
seleccionamos un libro Guinness de los Records del 2012.
y descubrimos que estábamos en él
por el robot médico más pequeño.
(Audiencia) Vítores.
Estar en el libro de Guinness de los Records es genial,
pero donde quiero llegar
es a ganar una medalla en las siguientes Olimpiadas,
por lo que desarrollamos nadadores sincronizados.
(Risas)
Estos son interesantes,
lo que realmente es interesante en ellos
es que están hechos de un polímero.
No son citotóxicos,
no matan células,
de hecho, a las células les gusta crecer en ellos.
Y hemos desarrollado una nueva tecnología
que nos permite crear formas bastante arbitrarias,
así que en el siguiente vídeo, lo que quiero mostrarles
es uno de nuestros dispositivos.
Ponemos una pinza
y lo que puede hacer es andar por ahí y agarrar estos pequeños...
Estas bolitas miden 6 micras de diámetro,
miden casi lo mismo que un eritrocito,
tomarlos, llevarlos a 3D, subirlos y bajarlos
y liberarlos usando estas fuerzas fluidas.
También hemos pensado en otras aplicaciones más serias.
Aquí está uno de nuestros dispositivos.
Lo cubrimos con una molécula fluorescente llamada calceína.
Esta molécula, la están viendo en el microscopio de fluorescencia,
esta molécula, en realidad
tiene el mismo peso molecular que muchos fármacos de quimioterapia.
Y a la izquierda, ven células rojas manchadas de rojo.
Descubrimos si acercábamos las bacterias a esas células y se tocaban,
las células tomaban la calceína.
Y esto nos permite, por ahora, distribuir fármacos a células individuales
y apuntar a células individuales con esta clase de tecnología.
La otra cosa interesante,
solo le he mostrado algunas, pero podemos hacer ejércitos de ellas,
podemos hacer miles,
podemos hacer una por segundo.
Hacemos miles y las ponemos en suspensión.
Creo que hay algunas posibilidades interesantes
para el futuro hacia dónde puede ir esto.
Volvamos al motor bacterial.
Este es un vídeo del laboratorio Keiichi Namba en la Universidad de Osaka.
Él y su grupo pasaron años
tratando de entender la secuencia exacta de proteínas,
cómo se reúnen en este motor rotatorio.
Y aunque no estoy en el punto en el que puedo hacer el motor,
puedo hacer algunas partes de este dispositivo
y lo que esperamos es que mientras avanzamos al futuro y sigamos en esta área
aprenderemos más y más de la naturaleza a escalas moleculares
y seremos capaces de crear máquinas que operen similarmente
y bajo principios similares.
He tenido mucha suerte al trabajar con científicos brillantes,
médicos brillantes,
y cuando estás en la ETH,
la Escuela Politécnica Federal de Zúrich,
soy un ingeniero,
paso por pasillos donde estuvo gente como Conrad Röntgen, inventor de los rayos X,
Wolfgang Pauli o Albert Einstein.
Es una experiencia humilde,
por lo que tomo un poco de consuelo
en una frase de un famoso ingeniero aeronáutico de Caltech,
Theodore von Karman,
y von Karman dijo:
"El científico describe lo que es, el ingeniero crea lo que que nunca hubo".
(Risas)
Bien.
Quiero dejarle con un último pensamiento,
es de Richard Feynman, el famoso físico de Caltech,
quien dijo: "Lo que no puedo hacer, no lo entiendo".
(Risas)
Muchísimas gracias.
(Aplausos)