Desde imaginar cómo sería crear nuestra propia ciudad hasta aprender sobre los productos químicos que se utilizan en nuestros alimentos, hemos cubierto una buena parte de la historia de la ingeniería. Hay cuatro ramas principales de la ingeniería: civil, mecánica, eléctrica y química, pero existen muchas otras. Algunas ramas tienen siglos de existencia, mientras que otras se han desarrollado más recientemente y están creciendo rápidamente. Incluso algunas se han desprendido de ramas existentes y se están convirtiendo rápidamente en sus propios campos.
Revolución de la ingeniería
Uno de los ejemplos de esto es la ingeniería aeroespacial, que se encarga del diseño y construcción de aeronaves y naves espaciales. Esto fue una progresión natural de la ingeniería mecánica, ya que empezamos a crear máquinas que pudieran volar. Otro ejemplo es la ingeniería ambiental, que utiliza prácticas de ingeniería, ciencia del suelo, biología y química para encontrar soluciones a los problemas ambientales.
Cubriremos estas y otras ramas en más detalle más adelante, pero por ahora nos centraremos en dos de las disciplinas más prominentes de la ingeniería: la ingeniería industrial y la ingeniería biomédica. Después de aprender sobre la historia de estas dos ramas, veremos lo que se necesita para utilizar ambos campos para construir y diseñar una extremidad artificial completamente funcional. Así que quédate con nosotros.
Ingeniería industrial: la eficiencia en acción
La ingeniería industrial ha existido tanto tiempo como hemos tenido fábricas y otros sistemas de ingeniería. Al igual que los ingenieros mecánicos trabajan con diferentes piezas para diseñar una máquina, los ingenieros industriales trabajan con muchos elementos diferentes para diseñar un sistema eficiente. Y no solo tienen que pensar en las máquinas, también tienen que considerar a los trabajadores, los materiales, el flujo de energía y la comunicación necesarios para proporcionar el mejor producto o servicio.
A diferencia de otras ramas de la ingeniería, los ingenieros industriales ven el sistema como un todo antes de examinar cómo las diferentes partes trabajan juntas. Luego pueden centrarse en los detalles para obtener los mejores resultados. Se trata de optimización y una de las áreas más importantes en las que los ingenieros industriales tratan de optimizar es la cadena de montaje. Es donde podemos ver las mayores mejoras en calidad, tiempo de entrega y costos.
La búsqueda de optimización en la cadena de montaje es la razón por la que muchas fábricas ahora han adoptado la automatización en lugar de la mano de obra manual. Esto ha llevado a la idea de la «manufactura sin operarios», donde las fábricas y las operaciones de fabricación no necesitan físicamente a humanos para supervisar o operar las máquinas.
Ingeniería biomédica: mejorando la salud
A diferencia de la ingeniería industrial, la ingeniería biomédica es un campo más reciente en la historia de la ingeniería. Se utiliza de manera similar a la bioingeniería, pero se centra en aplicar habilidades y principios de ingeniería a la biología y la medicina, generalmente con fines de atención médica. Se centra en la biología humana y animal, mientras que la bioingeniería es un término más amplio que puede incluir otros sistemas biológicos, como las plantas.
La ingeniería biomédica se enfoca en el desarrollo de avances que mejoran nuestra salud, desde el diagnóstico y análisis de enfermedades hasta su tratamiento y recuperación. Es en este campo donde aprenderemos las habilidades para intentar crear una extremidad artificial. Los ingenieros biomédicos difieren un poco de las otras disciplinas en que a menudo necesitan aplicar principios biológicos modernos a sus diseños. Por ejemplo, deben asegurarse de que los materiales de un órgano artificial no provoquen una reacción indeseada dentro del cuerpo y de que una extremidad artificial se mueva de manera similar a su contraparte orgánica.
Por lo tanto, los ingenieros biomédicos deben tener un buen conocimiento de otros campos además de la biología, como la ingeniería mecánica y eléctrica, la ciencia de los materiales y la química, por mencionar algunos. La ingeniería biomédica se encuentra en la mayoría de los aspectos de nuestras vidas, más allá de las extremidades y órganos artificiales. Tenemos que agradecerle por desfibriladores, marcapasos, resonancias magnéticas, tomografías computarizadas y bombas de insulina. Es sorprendente pensar que la mayoría de estas tecnologías no existían hace 50 o 100 años.
Historia de la ingeniería industrial y biomédica
La ingeniería industrial ha estado presente en el trasfondo de la ingeniería desde que construimos las primeras fábricas. En cuanto a la ingeniería biomédica, no comenzó a desarrollarse hasta después de la Segunda Guerra Mundial. Hubo inventos biomédicos antes, pero generalmente estaban en manos de médicos y cirujanos.
Desde un dedo del pie prostético de madera y cuero de 3000 años descubierto en una momia egipcia, hasta el estetoscopio inventado por el médico francés René Laennec en 1816 y las primeras radiografías de rayos X tomadas por el físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen en 1895, ha habido avances significativos en la ingeniería biomédica.
En 1961, la Universidad de Pensilvania ofreció el primer programa de Doctorado en Ingeniería Electrónica Biomédica en Estados Unidos, lo que marcó un importante avance para la ingeniería biomédica. A medida que se establecía más el campo, la computación se convirtió en uno de los mayores avances para la ingeniería biomédica. Con la ayuda de las computadoras, se pudo analizar los datos de manera más rápida, lo que hizo que la evaluación de pacientes fuera más eficiente y abrió nuevas formas de hacerlo.
Desafíos de la ingeniería biomédica
Si bien la ingeniería biomédica ha logrado avances significativos, todavía enfrenta desafíos importantes. Uno de ellos es la modelización biológica, es decir, cómo podemos simular el cuerpo humano y lo que sucede en su interior. Si podemos obtener una simulación realista y confiable, podemos utilizarla para realizar experimentos en lugar de utilizar a una persona real, lo que nos permite realizar experimentos que podrían ser perjudiciales para una persona real y repetir pruebas más veces de lo que normalmente podríamos hacerlo.
Otro campo en el que se necesita más investigación es la administración de fármacos. Queremos que los medicamentos que creamos lleguen donde deben llegar, ya que ciertos medicamentos y tratamientos son menos efectivos dependiendo de cómo y dónde se administren. También es importante saber cómo reaccionará el cuerpo ante cualquier máquina bioimplantada. Aquí es donde entra en juego la ciencia de los materiales. Un desarrollo interesante en este campo es la encapsulación de células, donde protegemos las células trasplantadas dentro del cuerpo con biomateriales que actúan como barreras para protegerlas del sistema inmunológico del huésped.
Los materiales también son importantes en el desarrollo de prótesis. Cuando reemplazamos algo como una cadera o una extremidad, hay muchos problemas potenciales a los que debemos prestar atención, como asegurarnos de que las bacterias e infecciones no se propaguen en el material que hemos implantado y que el material sea duradero y dure mucho tiempo.
El desafío de crear una extremidad artificial
Imaginemos qué se necesitaría para reemplazar una pierna completamente funcional. Hay muchos factores en juego que no discutiremos ahora, pero veamos los más importantes para empezar. La resistencia de los materiales será bastante importante. Necesitamos que los huesos mecánicos de la pierna no solo duren, sino que también puedan manejar las fuerzas estáticas y dinámicas a las que se somete una pierna. Un material que maneje el estrés y la tensión constantes de estar de pie puede no resistir bien las fuerzas que se generan al correr. Una vez que eso esté resuelto, tendremos que analizar la potencia y la ingeniería eléctrica si queremos que se mueva como una de nuestras piernas. Aquí es donde la programación y la informática también pueden desempeñar un papel importante.
Además de los materiales fuertes y rígidos, también tendremos que preocuparnos por partes más flexibles. Por ejemplo, nuestras rodillas y muchas partes de nuestro cuerpo contienen cartílago, que actúa en parte como amortiguador de choque. También hay fluidos en nuestras rodillas que ayudan al movimiento, llamados fluidos sinoviales. Descubrir cómo replicar estos mecanismos, como el uso del ácido hialurónico, podría ser fundamental para recrear una pierna artificial.
Una vez que hayamos diseñado la pierna, tendremos que volver a lo que hemos aprendido sobre ingeniería industrial para fabricarla en una fábrica. No solo será importante fabricarla eficientemente, sino que también aseguraremos de que se fabrique con la mejor calidad posible. Tenemos el potencial para lograr grandes cosas cuando aplicamos lo que hemos aprendido. Como en la mayoría de los casos de ingeniería, todo cobra sentido cuando combinamos al menos algunas de las diferentes ramas.
