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Una nueva tecnología materializa objetos de la nada usando hologramas ultrasónicos Sunday, 26 February 2023

Si crees que una máquina que materializa objetos 3D al instante usando hologramas ultrasónicos suena como algo que sólo podrías encontrar a bordo del Enterprise, no te culpo. Yo pensé lo mismo, pero ése es exactamente el avance que han logrado los científicos del Instituto Max Planck de Investigación Médica y la Universidad de Heidelberg. Según Kai Melde, “esta tecnología se presta muy bien al ensamblaje de células biológicas para crear tejidos vivos”.

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Melde — autor principal del estudio que presenta esta nueva tecnología de impresión 3D sin contacto publicado este mes en la revista Science Advances — me cuenta en una entrevista que esto se debe a que “el ultrasonido es amable y no es tóxico para las células y el ensamblaje sin contacto ayuda a mantener un entorno estéril y las células felices”.

Mientras que la impresión 3D tradicional se basa en técnicas como añadir capa tras capa de materia y unirlas hasta obtener un objeto, esta nueva forma de impresión 3D utiliza ondas sonoras que pueden empujar la materia sin tocarla físicamente. El logro es que estos científicos han encontrado la manera de construir cualquier forma tridimensional utilizando esas ondas.

Vista dentro de la cámara de impresión. (Max Planck Institute)
Vista dentro de la cámara de impresión. (Max Planck Institute)

Según el estudio de Melde, los métodos convencionales para imprimir tejido vivo son lentos y aplican estrés mecánico o químico a las células biológicas. La impresión 3D tradicional requiere un medio líquido que no es compatible con las células vivas. “Hace varios años nos preguntamos cómo podíamos ensamblar partículas sin contacto y exploramos todo tipo de campos”, me dice. Él y su equipo lo investigaron todo: campos ópticos, magnéticos, eléctricos y, finalmente, acústicos.

Cálculos extremadamente complejos

Si alguna vez has estado en un concierto, habrás experimentado que el sonido afecta a la materia física hasta el punto de que puede moverla. El estruendo de los altavoces ejerce una fuerza sobre tu propio cuerpo, a veces tan fuerte que te deja sin respiración. En el laboratorio, antes de que el equipo de Melde iniciara su trabajo, ya había gente usando campos acústicos ultrasónicos para manipular materia diminuta de formas sencillas, ya fuera organizando las partículas en torno a un único punto o en líneas rectas

Ilustración sobre cómo las capas de hologramas ultrasónicos ensamblan las partículas.  (Max Planck Institute)
Ilustración sobre cómo las capas de hologramas ultrasónicos ensamblan las partículas. (Max Planck Institute)

Su momento eureka llegó cuando pensaron en usar hologramas para dar forma al objeto en el espacio 3D. Pero, en lugar de luz, los hologramas estaban hechos de ultrasonido. Si las ondas sonoras son manos invisibles que dan forma sencilla a la materia sin tocarla, estos hologramas sonoros son superficies tridimensionales capaces de moldear formas muy complejas.

Melde explica que se trata de un logro complicado. Según él, para crear formas tridimensionales es necesario utilizar varios campos holográficos que se superponen e interactúan entre sí. Los algoritmos requeridos para calcular estas formas eran tan complicados que requerían un gran poder computacional: “Un problema con los cálculos es que los requisitos de memoria aumentan rápidamente cuando se agrega la tercera dimensión. Luego, además, debes calcular el campo de ondas para todo el volumen, un proceso que debe repetirse una y otra vez durante el proceso de optimización”.

Modelo 3D de las partículas organizadas en forma de paloma. (Max Planck Institute)
Modelo 3D de las partículas organizadas en forma de paloma. (Max Planck Institute)

Para resolver este desafío computacional, recurrieron a la aceleración de GPU (los procesadores gráficos que se utilizan en las tarjetas de juegos para crear mundos 3D complejos) y a TensorFlow de Google, el código más popular para el aprendizaje automático y la inteligencia artificial. Según Heiner Kremer, el miembro del equipo que escribió toda la magia informática requerida para crear los hologramas de sonido, “la digitalización de un objeto 3D completo en campos de hologramas de ultrasonido es computacionalmente muy exigente y nos obligó a crear una nueva rutina de computación”.

Magia instantánea

Una vez realizados estos cálculos, es hora de “imprimir” el objeto. Este es un proceso relativamente simple, en realidad. La máquina dispara los campos de ultrasonido hacia un recipiente de laboratorio estándar, dando forma a la materia, que pueden ser micropartículas sólidas, perlas de hidrogel o células biológicas colocadas en un medio. En el caso de las últimas, el medio es un líquido nutricional que las mantienen vivas. Lo (extraordinariamente) sorprendente es que se trata de un solo paso: el objeto se forma instantáneamente de una sola vez, a diferencia del típico proceso de impresión aditiva, que requiere miles de pases y mucho tiempo.

El tamaño máximo de estos experimentos, me dice Melde, "era una hélice de doble vuelta con unos 20 mm de longitud y 10 mm de diámetro". Esto puede parecer pequeño, no más grande que una de las falanges de tu dedo meñique, pero es algo extraordinario. Puede ser el primer paso hacia un futuro en el que podamos imprimir órganos de forma segura y rápida, uno de esos sueños que siempre han parecido inalcanzables. Pero, como dijo el autor de ciencia ficción Roberto A. Heinlein, "todo es teóricamente imposible, hasta que se hace".

Podéis ver el resto de episodios de Control Z aquí.


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