¿Qué es la biomecánica?

(Publicado por primera vez en agosto de 2013 en http://papeldeperiodico.com/2013/08/21/que-es-la-biomecanica/)

Es posible que usted, amable lector, haya leído alguno de los libros del escritor Jonathan Swift donde el personaje Gulliver llega a la tierra de Lilliput, habitada por gente diminuta. Ahí, las plantas, los árboles y los animales están en una escala pequeña. En consecuencia, Gulliver es visto como un gigante. En otra aventura, llega a un país llamado Brobdingnang, donde la gente, la flora y la fauna es de mucho mayor tamaño que él. Ahí es tomado como alguien pequeño. Finalmente, un águila lo toma de su jaula y lo deja caer en el mar, donde es rescatado por personas de tamaño normal.

Gulliver en Brobdingnag.

Inmediatamente nos viene a la mente la cuestión de si las leyes físicas habrían sido las mismas en las dos escalas. Si así hubiera sido, las gotas de lluvia habrían parecido más grandes en Lilliput, al igual que las llamas de una vela (suelen ser del mismo tamaño a pesar del tamaño de la vela). Habría sucedido lo opuesto en Brobdingnang, donde gotas y llamas habrían parecido minúsculas. Por otra parte, un lilliputense habría salido ileso de una caída desde una altura significativa, no así un brobdingnangense, quien podría haber sufrido un daño evidente al apenas tropezarse y caer.

Cambio de escala

Un cambio de escala (ante las mismas leyes físicas) a la manera como lo vivió Gulliver, tendría implicaciones profundas en la interacción de las personas con su entorno, incluso en el funcionamiento del propio organismo. ¿De qué forma trabajaría un corazón lilliputense con respecto al de un brobdingnangense? Seguramente la frecuencia cardíaca sería mucho más alta en el primero basándonos en el hecho de que el corazón de los mamíferos pequeños ‒como los ratones‒ late unas 500 veces por minuto. En cambio, los mamíferos grandes ‒como el elefante‒ tienen una frecuencia cardíaca de unos 40 latidos/minuto (la del humano es de 70 latidos/minuto en reposo).

Por otra parte, ¿el tamaño de los pulmones de lilliputenses y brobdingnangenses podría ser proporcional al de un humano normal? Tomando el mismo ejemplo de los mamíferos minúsculos y grandes, vemos que la frecuencia de respiración de un ratón es de casi 200 respiraciones/minuto, en cambio, la de un elefante es de poco menos de ocho (siendo 15 el de una persona en reposo). Por lo tanto, es indudable que los sistemas respiratorios de tales personajes ficticios, serían distintos. Además de estas diferencias, habría un sinfín de otras más que harían imposible la existencia de seres minúsculos y gigantes, a la manera humana.

Un sustento profundo de este análisis anatómico de los personajes de Swift, lo podemos encontrar en la biofísica, o en una forma más enfocada, en la biomecánica (disciplina que forma parte de la biofísica), la cual, como veremos a continuación, nos permite conocer la dinámica entre las distintas variables mecánicas que tiene lugar en un organismo vivo.

Origen de la biomecánica

Podemos definir la biomecánica (de las raíces griegas  βίος, vida y μηχανική, mecánica) como el estudio de sistemas biológicos (animales, órganos, plantas, células y bacterias), desde un punto de vista mecánico. Sobre el origen de esta disciplina, podríamos considerar que las primeras herramientas biomecánicas de la humanidad pudieron haber sido el bastón y las muletas. Para su manufactura, sólo pudo haber bastado conocer la estatura ‒y corpulencia‒ del usuario y la elección del material: madera o algún carrizo lo suficientemente resistente.

Prótesis egipcia de dedo del pie.

La elaboración de prótesis humanas se remonta al antiguo Egipto. Hace algunos años, la investigadora Jacky Finch (del Centro de Egiptología Biomédica, Universidad de Manchester, RU) analizó dos prótesis de dedo gordo del pie de una antigüedad anterior a los 600 años a. C. Una fue elaborada de lino, pegamento y yeso, y la otra (encontrada en el pie de una momia de mujer), se construyó de cuero y madera. La científica encontró que además de una función estética, estas prótesis ayudaron a estabilizar la marcha de sus portadores¹.

Tiempo después, prótesis rudimentarias ‒de madera e incluso bronce‒ para personas que habían perdido un brazo o una pierna, se elaboraron en base a la capacidad del material para soportar el peso corporal o, en el caso de un brazo, minimizar el desgaste. Aunque en forma muy elemental y cualitativa, la biomecánica siguió desarrollándose lentamente (es pertinente aclarar que sólo desde una perspectiva actual, podemos denominar tales actividades como comienzos de la biomecánica).

Robot diseñado por Leonardo da Vinci (el
diseño original fue realizado en papel).

Mucho más adelante, sobre todo en tiempos del Renacimiento, Leonardo da Vinci diseñó dispositivos mecánicos para volar (inspirado en las alas de las aves) e incluso un robot antropomorfo. Años después, Andrés Vesalio publicó sus insuperables ilustraciones de anatomía (‘Sobre la estructura del cuerpo humano’, en 1543), las cuales serían de gran utilidad para posteriores estudios biofísicos. A partir de este periodo (pero sobre todo desde finales del siglo XVII, con el desarrollo y expansión de la mecánica newtoniana), el análisis de fuerzas, tensiones y esfuerzos en el diseño de dispositivos biomecánicos ‒con respecto a su forma y materiales constituyentes‒, comenzó a ganar importancia.

La biomecánica moderna

En la segunda mitad del siglo XX, la biomecánica comenzó a ser cultivada como disciplina independiente. Gracias a los avances tecnológicos, el sistema circulatorio y el microcirculatorio (red de minúsculos vasos sanguíneos) pudieron estudiarse en función de la cantidad y morfología de las células constituyentes del plasma sanguíneo. Se analizó ‒y modeló‒ el intercambio gaseoso en los alveolos pulmonares al igual que las propiedades plásticas de las membranas celulares. Mediante estos modelos, se logró predecir, con una certidumbre elevada, la dinámica real del sistema circulatorio, así como el comportamiento de enfermedades como la diabetes, el enfisema pulmonar, y algunas cardiopatías. De los científicos que estudiaron estos sistemas biológicos, destaca en forma significativa el profesor chino-estadounidense Yuan-Cheng Fung (nacido en 1919), quien es considerado el padre de la biomecánica moderna².

Sistemas biomecánicos micro y macroscópicos

Flagelos de chlamydomonas (algas
unicelulares).

La biomecánica ha permitido el estudio de sistemas biológicos microscópicos, como la motilidad externa e interna de células y bacterias. Por ejemplo, se ha estudiado la dinámica de los cilios o flagelos de algunas bacterias y espermatozoides; la manera en que los citófagos (como algunos glóbulos blancos, o leucocitos) engullen corpúsculos extraños mediante pseudópodos (prolongaciones del citoplasma); la forma en que ocurre la mitosis (proceso que ocurre en el núcleo celular, que consiste en el reparto equitativo del material genético antes de la división celular).

En estos casos, el citoesqueleto (conformado en gran parte por fibras de proteína denominadas microtúbulos) cumple una función primordial al actuar como vías para que las proteínas motoras como la miosina, la dineína o la cinesina, puedan desplazarse en el citoplasma.

Pasando ahora al mundo macroscópico, se ha aprovechado la eficiente locomoción de algunos insectos como, cucarachas, hormigas y gusanos para el desarrollo de robots que los emulan. Incluso se han diseñado pequeños robots voladores basados en insectos alados. Igualmente, se ha estudiado la morfología de aves, delfines o tiburones para hacer más eficiente el vuelo de aviones o la navegación de barcos y submarinos.

Otras aplicaciones

El estudio biomecánico de hongos, plantas y árboles ha permitido hacer una correlación entre su morfología y el medio ambiente donde se desarrollan. De particular interés ha sido la génesis de filamentos en los hongos filamentosos, así como la de las ramas y hojas de plantas y árboles. Por otra parte, el estudio del ascenso de agua de las raíces a las hojas, filamentos, o frutos, mediante el fenómeno de capilaridad, se ha analizado con el propósito de mejorar la absorción de nutrientes del suelo.

La biomecánica da soporte a otra disciplina científica conocida como farmacodinamia, la cual se encarga de estudiar la difusión y efectos de los fármacos en el organismo. En la actualidad, se realiza investigación para hacer más eficiente la distribución general ‒o focalizada‒ de fármacos que pudieran permitir un ataque selectivo a tumores cancerosos, por decir un ejemplo.

Consideraciones finales

Incluso en el deporte, la biomecánica ha sido importante para mejorar el rendimiento de los atletas, desarrollar técnicas de entrenamiento, y diseñar equipamiento de alto rendimiento (tenis apropiados para un deporte particular, cascos aerodinámicos para ciclistas, trajes para natación, bicicletas especiales, entre otros). Además, para los estudios del efecto de la ingravidez en los organismos biológicos (al permanecer un largo periodo en órbita), la biomecánica ha tenido un papel importante.

Yendo un poco más lejos, incluso podríamos estudiar cómo un planeta distinto a la Tierra (de mayor o menor masa), podría influir en el organismo humano. Sería algo así como visitar Lilliput o Brobdingnang ¿no creen?

1.      J. Finch. The ancient origins of prosthetic medicine. The Lancet, Vol. 377, 9765, 548-549 (pp), 12 February 2011.

2.      Kassab. Y.C. “Bert” Fung: The Father of Modern Biomechanics. MCB, Vol.1, 1, 5-22 (pp), 2004.