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Como construir una nanomaquina auto reproductora dentro de un ser humano
 

Definicion del problema.

Analicemos cuidadosamente los requerimientos de la pregunta. Primero la
definicion: "nano maquina autoreproductora". Con el termino "maquina"
anulamos, en principio, la utilizacion de un virus o bacteria... aunque son
sin dudas las soluciones optimas a la hora de hacer algo dentro del cuerpo
humano. Siempre hay que buscar la solucion mas sencilla... y la naturaleza
nos la ha proporcionado desde hace muchos miles de millones de años. Y
ademas, en el estado actual del arte es mucho mas facil jugar con el codigo
genetico que crear nanoengranajes eficientes. Pero ese es otro tema...

Lo de "nano"... bueno, lo aceptaremos en base a que la maquina debera de
estar formada por nanocomponentes. Pero veo muy improbable el construir una
maquina autoreproductora que no sea excesivamente grande. Eso nos plantea un
interesante problema: ¿cuanto de grande?. ¿Como un leucocito, por ejemplo?.
Es evidente que no pueden ser tan grandes como para hacer bulto o atascarse
en los capilares, pero si quieres llenarla de engranajes, con sus motorcitos
y cerebrines electronicos o mecanicos...

Lo de "autoreproductor" es francamente mas complejo. El problema que se
plantea es doble: por una parte, los materiales de construccion. El cuerpo
de la maquina y los engranajes podrian construirse de carbono: realmente, ya
hay experimentos en ese sentido. Pero lo peor en este caso no es la maquina
propiamente dicha. Lo peor es la "inteligencia" que existe detras de un
proceso autoreproductor. Cogete TODOS los medios del mundo e intenta
construir una maquina capaz de reproducirse a si misma. Es imposible. El
programa necesario es simplemente inmenso. Y ademas, seguro que van a
faltarte cosas. Por ejemplo, si utilizasemos un cerebro de silicio, vale,
podrias pensar en sacar el silicio de la dieta (jodido esta que alguien coma
arena, pero bueno). Pero ¿y como lo manufacturas luego?. ¿Como lo purificas,
lo moldeas y le haces una deposicion ionica para convetirlo en un
ordenador?.

Relacionado con el punto anterior, tenemos el problema de "la mision": las
maquinitas tendran que hacer algo mas que reproducirse. De lo contrario no
tienen demasiado sentido, y ademas una reproduccion incontrolada acabaria
por matar al anfitrion. Pero cualquier programa de objetivo requiere un alto
grado de complejidad en el "sistema informatico" del organismo
nanotecnologico.

Tambien es compleja la cuestion energetica. Las maquinitas, para realizar un
trabajo, necesitan energia. Y esa energia hay que robarsela al anfitrion. De
nuevo, un sistema sin control de poblacion mata al organismo que sufre la
"infeccion". Ademas, tenemos un interesante efecto secundario: la conversion
de la energia en trabajo nunca tendra una eficiencia del 100%, especialmente
en el caso de maquinas movidas con nanoengranajes. Por tanto, parte de esa
energia se transformara en calor... lo que a su vez provocara "fiebre" en el
anfitrion y en el caso peor, la muerte.

No puede despreciarse el tema del transporte. Si las nanomaquinas tienen que
desplazarse por el interior de un ser humano, tienen un conjunto limitado de
"vias" por los que llevar a cabo esos desplazamientos. Pero algunas de ellas
son francamente complejas de utilizar. El torrente sanguineo proporciona un
camino perfecto para el desplazamiento a cualquier parte del organismo. Pero
cualquier nanomaquina presente en la sangre tiene que pasar antes o despues
por el corazon... lo que supone una prueba de resistencia de materiales
bastante importante. Ademas, los mecanismos de impulsion desarrollados por
los humanos son bastante inferiores a los de la naturaleza. Despues de todo,
estos ultimos han tenido cuatro mil millones de años para pulir los posibles
defectos. Dicho en otras palabras, un paramecio siempre es mucho mas
eficiente que una helice. Claro que la solucion entonces podria ser el
plagiar una forma biologica: por ejemplo, la del flagelo, de gran exito
evolutivo...

Ademas, si la tarea de las maquinitas es relativamente compleja, tendran que
mantener un cierto grado de comunicacion entre ellas...

Por ultimo, tampoco puede desecharse la respuesta inmunologica de nuestro
organismo frente a la invasion: por si no fuera dificil cumplir la mision
encomendada, ahora tambien hay que luchar con las defensas frente a intrusos
del cuerpo humano.

Sintetizando: el diseño de cualqier tipo de maquina nanotecnologica a partir
de los supuestos de partida debe resolver los siguientes problemas:

- Hardware y software
- Tamaño. Capacidad de manipulacion
- Obtencion de materiales.
- Fuente de energia
- Estrategias reproductivas y control de natalidad.
- Comunicaciones
- Interaccion con el anfitrion. Defensas.
 

Bueno, con tal de no ser completamente negativos, analicemos algunas de las
posibles soluciones...

Hardware y software

Para el tema del hardware pensante, la solucion mas evidente parece la de un
nanocerebro basado en logica de barras, semejante a los que aparecen en "La
era del diamante". La ventaja es que estaria constituido por el mismo
material que el resto del bicho, lo que simplificaria la construccion. El
inconveniente es que personalmente me muestro particularmente exceptico
sobre las posibilidades de semejantes tipos de ordenadores... especialmente
frente a la potencia de calculo necesaria.

Una manera de solventar el problema, reduciendo las necesidades de
almacenamiento y la potencia de calculo seria que la memoria y/o el
procesador fueran externos al sistema. Los nanobichos serian prolongaciones,
manipuladores de una entidad no limitada por la necesidad de codificar un
programa complejo en un espacio diminuto. Lo que a su vez permitiria que
estos manipuladores fuesen mas pequeños y manejables. ¿Como se comunicaria
ese ente externo con sus nanosiervos?. Por ejemplo, a traves de campos
electromagneticos. Hoy en dia vivimos sumergidos en campos de todos los
colores, como los de los moviles, television, etc. Las nanomaquinas podrian
recibir informacion a traves de ese canal externo. Seria interesante
analizar si podrian construirse antenas del tamaño adecuado frente a la
longitud de onda de la señal exterior, pero la idea de una inteligencia
mecanica impartiendo ordenes a nanomaquinas situadas en nuestro cuerpo a
traves de una subportadora de la señal de television o de radio pone los
pelos de punta...

Obtencion de materiales.

Hay dos formas obvias de abordar este problema. Por una parte, la mayor
parte del cuerpo de la criatura deberia de estar constituido por un material
abundante y facil de obtener. La solucion evidente es el carbono. O mejor
todavia, alguna clase de polimero que formase una "piel" resistente a las
condiciones de funcionamiento de las nanomaquinas en el interior del
organismo... y que, por ejemplo, ofrezca una firma proteinica aceptable al
sistema inmunologico del anfitrion. En realidad ya se ha estado
experimentando en maquinas de una pieza, asi que esto no es ninguna novedad.
Para los materiales mas "exoticos" habria que recurrir a las cantidades
vestigiales de los mismos presentes en nuestro cuerpo. Podria utilizarse una
nanomaquina especializada como refineria, extrayendo los elementos adecuados
del flujo sanguineo por el principio de la criba molecular. Tambien se estan
haciendo hoy en dia experimentos en ese sentido, y la verdad es que es uno
de los campos en los que la nanotecnologia tiene mas posibilidades de
triunfar.

De todos modos, siempre faltara algo: dudo mucho que las cantidades de
germanio o indio en nuestro organismo sean relevantes. Aqui hay tambien una
solucion obvia: la ingesta de los materiales necesarios, bien
conscientemente si la "invasion" de los nanocuerpos obedece a una accion
voluntaria, o bien inconscientemente, suministrando el producto o productos
necesarios en el momento de la invasion. Por ejemplo, podrian contaminarse
el agua con una hornada de nanomaquinas "sobredimensionadas" en cuanto al
uso de materiales exoticos. Una vez en el organismo, las nanos
"redistribuirian" estos materiales entre un numero superior de individuos.
Tambien podrian seguirse estrategias de reciclado de los elementos o
nanomaquinas estropeados, canibalizando los elementos necesarios...

Reproduccion

Para la reproduccion propiamente dicha, hay una solucion extraordinaroamente
elegante: la colmena. Realmente ¿porque todos los nanorganismos deben de
tener capacidad reproductiva?. Limitemos dicha capacidad a un numero
reducido de los mismos... con unas cantidades adecuadas de obreras
destinadas a las tareas de nuestro nanorganismo. La reina madre de las
nanomaquinas podria entonces ser de mayor tamaño (mayor capacidad de
computacion, mayor cantidad de memoria), y estaria situada en una porcion
fija del organismo. Localizaciones optimas serian el bazo, el higado, donde
hay unas excelentes comunicaciones y asi mismo es facil conseguir energia o
el cerebro, tambien con buenas comunicaciones y con la "posibilidad" de
interactuar directamente con los centros de pensamiento del portador: una
especie de control mental/fisiologico que podria resultal muy util a la hora
de controlar al anfitrion, por ejemplo para obligarle a consumir aquellos
alimentos necesarios para la supervivencia del huesped...

La especializacion de la colmena requeriria, por tanto, tres tipos basicos
de nanos:

    a) La reina. Funciones de reproduccion, alimentacion y control
    b) Las obreras. Mantenimiento de la reina, construccion de las
nanomaquinas etc.
    c) Central energetica y recolectora de material.

Por cierto, esta colmena no necesita zanganos... a menos que introduzcamos
un factor evolutivo, lo que me parece simplemente excesivo.

La existencia de un centro de reproduccion permite asi mismo controlar de un
modo eficiente el control de natalidad. En efecto, ya hemos visto como un
exceso de nanos puede conducir a la muerte del anfitrion por causas muy
diversas. Si tenemos una unica maquina reproductora, esta podria monitorizar
los parametros del organismo donde reside y en funcion a las condiciones de
disponibilidad de materiales, consumo energetico, etc, ajustar su tasa
reproductiva a unos niveles optimos. La realimentacion, en este caso, es un
parametro importante...
Asi mismo, centralizar las funciones de reproduccion y computacion (e
incluso recoleccion de materiales, alimentacion y energia) permitiria
simplificar enormemente el diseño de las obreras reduciendo su tamaño y sus
requisitos de fabricacion...

Fuente de alimentacion

Para mover las maquinas, necesitamos energia. Dado el estado actual de
desarrollo de los nanomotores de induccion, la fuente obvia es la energia
electrica, almacenable por ejemplo en condensadores. Para mover un nano, no
es necesario un generador de muchos watios. Fuentes para generar estas
potencias no faltan... pero muchas veces necesitan de materiales exoticos o
tecnologias dificilmente reproducibles en un entorno de autoreproduccion
como el planteado. Analicemos las mas interesantes:

    a) Energia solar fotovoltaica. Los nanos podrian desplazarse a los
capilares de la piel... y generar energia directamente del sol. En el
esquema de la colmena, esa mision la desempeñarian los recolectores, que
serian usados por el resto de nanos como almacenes ambulantes de energia o
descargarian la misma en un modulo central de reaprovisionamiento. El
problema de esta tecnica es que necesita de materiales exoticos y una
tecnologia compleja.

    b) Efecto Termoelectrico. Dos metales a diferentes temperaturas generan
una pequeña corriente electrica. La ventaja respecto al anterior, es que no
necesita sol para funcionar. El inconveniente, los mismos del punto "a".
Para generar la diferencia de calor podria utilizarse el flujo sanguineo: el
nano desplegaria unas "aletas" en un capilar y dejaria que se calentaran por
rozamiento mientras era impulsado por la corriente sanguinea. Otra solucion
pasaria por generar calor mediante reacciones quimicas... calor que seria
transformado en electricidad por este mecanismo. Un problema secundario
seria la disipacion del calor residual.

    c) Efecto piezoelectrico. Uno de los mas elegantes. Un trocito de cuarzo
dentro de la maquina, que genera piezoelectricidad a base de golpes debido
al movimiento turbulento en la sangre, por ejemplo. Parecido a lo que
utilizan determinados relojes. Suministro inagotable de energia... en tanto
que el corazon siga latiendo o el individuo desplazandose.

    d) Induccion. Ya utilizado en la actualidad. Simplemente, sacas energia
con una espira de las ondas electromagneticas... que como vimos antes, se
reciben a patadas en la vida cotidiana desde diferentes fuentes. Algo
parecido a la radio de galena... pero en nanotecnologico. Si las
nanomaquinas estan voluntariamente implantadas, bastaria llevar un reloj
especial con sus pilitas, que generaria un campo electromagnetico del que se
nutririan los nanos. Si los nanos son un parasito, que saquen su energia de
la radiacion del telefono movil, por ejemplo. Seria de una justicia poetica,
una plaga que solo afectase a los usuarios de esos trastos...

    e) Baterias ionicas. Otra solucion obvia. Con los materiales del
interior del organismo no parece demasiado complejo hacerse con una pequeña
bateria. El inconveniente de estas baterias es el rendimiento y la eficacia,
pero realmente para las potencias que es necesario generar parece, junto con
la induccion, la solucion mas evidente.
 

Comunicaciones.

Este es un tema ciertamente complejo. Si todas las maquinas son autonomas,
necesitan de una potencia de calculo enorme... y de una gran capacidad de
comunicacion para poder llevar a cabo determinadas tareas de forma
coordinada. En el planteamiento de la colmena, tenemos el mismo problema de
comunicacion, aunque la inteligencia centralizada disminuye las necesidades
de potencia de calculo por individuo. Veamos alguna de las estrategias
destinadas a resolverlo:

    a) Programa autonomos. Segun se generan las nano maquinas, se las dota
de un programa destinado a efectuar una labor y se las libera. Presenta el
inconveniente de la localizacion del punto de trabajo... por ejemplo.

    b) Luminiscencia. Los diferentes nanos se comunican entre si mediante
destellos. El receptor fotovoltaico de recarga energetica puede utilizarse
como detector. Por ejemplo, en la vida real ya se han desarrollado laseres
moleculares. El inconveniente es la casi segura necesidad de materiales
exoticos de construccion... y la corta distancia de transmision. La
estrategia en este caso pasaria por la retransmision de mensajes de nano a
nano hasta alcanzar al destino. De este modo tambien se resuelven los
problemas de sincronizacion.

    c) Sonido. El mas sencillo de implementar: simplemente una especie de
campana y un badajo dando porrazos en morse... o equivalente. Presentaria
problemas con la relacion señal-ruido... y muy posiblemente problemas con la
longitud de onda respecto del tamaño de la nanomaquina. Esto podria
resolverse utilizando ultrasonidos de alta frecuencia.

    d) Microondas. Comunicaciones radioelectricas. Algo semejante a lo ya
comentado para la adquisicion de energia: utilizar comunicaciones
radioelectricas entre las nanomaquinas. Bastante dificil de implementar
debido a la necesidad de componentes electronicos...

    e) Substancias quimicas. Uno de los mecanismos normalizados de
transmision de informacion dentro del organismo. Dificil de implementar en
nanomaquinas puramente mecanicas... pero muy interesante en nanomaquinas
tipo cyborg, mezcla de maquina y celulas normales del organismo...

    f) Impulsos nerviosos. Si la "reina" de la colmena pudiese conectarse
directamente al cerebro del huesped, podria llegar a utilizar la red de
comunicaciones del sistema nervioso para conectarse con sus subditos.
Altamente improbable, pero puestos a echarle imaginacion al asunto...
 

Defensas.

Dependiendo de su tamaño y funciones, los nanobichos podrian acabar
generando una respuesta inmunitaria en el anfitrion. Existen diferentes
estrategias para solventar los problemas derivados de este ataque:

    a) Recubrimiento: si la "piel" de la nanomaquina es inmune al ataque del
sistema inmunologico o simplemente es identificada por el mismo como algo
"amigo", el problema no existe.

    b) Parasitismo. Las nanomaquinas "tomarian" el control de una celula
nativa del organismo, que les serviria como escudo para las defensas del
mismo. Si a los virus les va bien...

    c) Defensa activa. La nanomaquina podria estar dotada de una serie de
mecanismos destinados a protegerse de las agresiones del organismo
anfitrion. Por ejemplo, liberacion de enzimas o recubrir la piel de la
maquina con cientos de puas destinadas a destruir mediante una descarga
electrica cualquier enzima o celula inmunitaria que intente agredirlas.

Conclusiones.

A tenor de lo expuesto, la estrategia mas aceptable para las maquinas
propuestas seria la de un organismo nanotecnologico tipo colmena, con
subespecies altamente especializadas dependientes de un nodo central anidado
en el higado o en el cerebro. Movilidad mediante flagelos o cilios. Fuente
de alimentacion piezoelectrica o electroquimica. Comunicaciones mediante
luz. Logica de barras para computacion y piel polimerica con defensas
activas frente a agresiones.

Obviamente, de todo esto hoy en dia hay mas bien poca cosa. Pero dejadles
tiempo a los ingenieros y ya vereis...
 
 

 

© Cristóbal Pérez-Castejón Carpena  2003-2004 Ultima actualización 14-11-2004