Los músculos artificiales elaborados en 1992 por el catedrático de Química Física y director del Laboratorio de Electroquímica, Materiales y Dispositivos Inteligentes de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT), Toribio Fernández, son los únicos motores moleculares poliméricos que, agrupados en películas, han logrado funcionar a escala macroscópica -es decir, a simple vista- unos motores con los que Jean Pierre Sauvage, James Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa han obtenido el Nobel de Química de 2016.

En declaraciones a Europa Press, Fernández ha recordado que él patentó y publicó el primer músculo artificial en 1992. Estaba constituido por cadenas de plásticos conductores y su funcionamiento es el mismo que el de un músculo natural, ya que su movimiento se origina por un impulso eléctrico. En los músculos biológicos, este impulso libera iones calcio y desencadena reacciones en las proteinas, mientras que en los artificiales, provoca una reacción electroquímica del plástico con intercambio de iones.

En los músculos naturales, la reacción provoca su contracción y, en el caso de los artificiales, la película de plástico cambia de volumen combándose hasta 360 grados. Al estar controlado por una reacción electroquímica, el movimiento se puede manejar a voluntad: si se para la corriente, se para el movimiento; si se invierte la corriente, se invierte el sentido de la marcha; y si la corriente se multiplica por dos, la velocidad también se duplica.

Se trata, añade, del único sistema macroscópico que sigue funcionando. "Está constituido por cadenas de polímeros conductores que, al oxidarse y reducirse, cambian sus conformaciones y constituyen motores moleculares". Todos esos motores moleculares asociados en una película "originan un movimiento de combado macroscópico que se puede ver grabar en vídeo y verlos en Youtube", explica.

ESTRECHA RELACIÓN CON LOS PREMIADOS

El catedrático de la UPCT coincidió con los ahora premiados con el Nobel en 2007 durante una Conferencia Solvay, un evento que se celebra desde hace unos 120 años en Bruselas con una periodicidad de 8 o 10 años patrocinadas por la empresa belga del mismo nombre.

Fernández fue invitado a esta Conferencia, precisamente, por trabajar con músculos artificiales y haber patentado "el único dispositivo en el que se ven los motores moleculares trabajar de manera colectiva para dar un movimiento macroscópico".

Además, Sauvage fue invitado a una conferencia organizada por Fernández en Torre Pacheco (Murcia); y los tres premiados también estuvieron en otra conferencia organizada en 2002 en Valencia por el Profesor A. Corma. Fernández y los Nobel vienen coincidiendo en múltiples reuniones internacionales.

FUNCIONAMIENTO DE MOTORES MOLECULARES

Fernández ha destacado que los motores moleculares por excelencia son los biológicos. Dentro de una célula de un músculo natural "hay unas proteínas que, con la reacción de una molécula llamada ATP -que es la de la energía y la vida-, hacen que las moléculas se comben arrastrando a otras y a la pared celular".

El movimiento de "miles de esas cabezas dentro de cada sarcómero de una célula es lo que provoca la contracción muscular", explica. El desencadenante es el impulso eléctrico que llega del cerebro, libera iones-calcio en el sarcómero y se produce una reacción química que hace que las moléculas cambien sus conformaciones, provocando la contracción.

Lo que los investigadores tratan de hacer desde la década de los 80 es intentar "reproducir en laboratorio algo similar a este sistema biológico", según Fernández, quien explica que los tres nuevos premios Nobel se han dedicado precisamente a eso.

Los primeros motores moleculares artificiales utilizaban una molécula alargada con dos terminaciones "un poco voluminosas". En el centro tenían una anillo ensartado que no podía salirse, precisamente, por el volumen de los extremos. Al producirse una reacción química, ese "anillo" cambia de una posición a otra a lo largo de la varilla central y se mueve de forma reversible según la dirección de la reacción. Las dimensiones son de diezmilésimas de milímetro: imposible ver el movimiento, que se sigue en los cambios que produce la reacción en un rayo de luz.

Cuando se consigue que el anillo gire como una rueda, destaca Fernández, con cuatro de esas "ruedas" en otra molécula grande se puede hacer un mecanismo "similar al de un coche". También cuando el extremo de una molécula se puede mover por la reacción como una paleta o un remo.

Desde los años 80 se han conseguido decenas de motores moleculares "muy diversos", pero nadie sabe como ensamblarlos para que formen máquinas grandes, visibles al ojo humano. La excepción son los músculos artificiales elaborados por este catedrático de la UPCT desde 1992, cuando estaba en San Sebastián, que se puede ver "perfectamente y a simple vista", usando películas de hasta 4 centímetros de largas.

PRINCIPALES RETOS, DIFICULTADES Y VENTAJAS

Fernández ha destacado que igual que los músculos naturales (un trozo de carne), que "se descomponen" si se dejan sobre una mesa, los artificiales también degradan con cierta facilidad y presentan muchos problemas de estabilidad. Un reto para los investigadores que quieran hacer robots con forma y textura de animales o de personas. Su gran ventaja es que el potencial muscular siente las condiciones mecánicas, térmicas o químicas de trabajo. Son actuadores-sensores: no existen en nuestro mundo tecnológico.

"El sueño último sería poder hacer robots humanoides, con la misma textura y suavidad de movimientos para asistir a discapacitados", que pudiera "trabajar con las ventajas de un robot, las 24 horas al día, pero con mayor suavidad de trato que cualquier persona". Todo ello, sumándole "toda la afabilidad y cariño que se le pueda introducir en el software correspondiente".

Fernández tampoco cierra la puerta a la posibilidad de llegar a sustituir miembros amputados por otros artificiales. "Por qué no", destaca el catedrático de la UPCT, quien no obstante advierte que las dificultades a sobrepasar "son enormes".

Los músculos artificiales "abren posibilidades infinitas" porque "podrían hacer el trabajo que nosotros queramos y, al mismo tiempo, sentir las condiciones de trabajo, químicas, físicas o térmicas en las que desempeñan esa labor al actuar como sensores".

INVESTIGACIONES DE LA UPCT

En la UPCT, el único grupo que trabaja en este campo es el que dirige Fernández al frente de dos estudiantes. En los últimos años, ha estado desarrollando la denominada propiocepción artificial, que consiste en recabar del músculo artificial la misma información que es capaz de transmitir el miembro natural.

"El cerebro sabe en todo momento cuál es la posición, la velocidad relativa del miembro o el peso del objeto que soporta", destaca Fernández, quien explica que, hasta ahora, era imposible trasladar toda esa sensibilidad a miembros artificiales. La propiocepción se consideraba una facultad psicológica de la mente, pero los investigadores de la UPCT han logrado desarrollar la ecuación físico-química que integra todos los componentes actuadores y sensores.

El paso siguiente en el que están trabajando ahora, sometido a revisión, consiste en recuperar parte de la energía que se gasta en generar el movimiento del músculo artificial, ya que el dispositivo actúa como una "batería": parte de la energía que se invierte en el movimiento de una dirección, se puede recuperar en el movimiento en el sentido opuesto.

De esta forma, se aumentará la eficiencia del dispositivo. El mecanismo es similar al que emplean los canguros, que almacenan energía mecánica en los tendones y la liberan en el siguiente salto. Los músculos artificiales, en cambio, almacenan energía eléctrica.