CIENCIAS Y CUESTIONES Ingeniería biomédica DE LA VIDA · 2020-03-16 · los puntos de vista de la...

Ingeniería biomédica

T E R C E R A E D I C I Ó N

R E D I S E Ñ A D O PA R A LO S N G S S

CIENCIAS Y CUESTIONES DE LA VIDA


THE LAWRENCE HALL OF SCIENCE UNIVERSIDAD DE CALIFORNIA, BERKELEY

T E R C E R A E D I C I Ó N

R E D I S E Ñ A D O PA R A LO S N G S S


Publicado por

17 Colt CourtRonkonkoma NY 11779 Sitio web: www.lab-aids.com

Este libro es parte de la secuencia del curso Ciencias y cuestiones de SEPUP. Para obtener más información sobre esta secuencia, consulta los sitios web de SEPUP y Lab-Aids.

CIENCIAS Y CUESTIONES DE LA TIERRA


CIENCIAS Y CUESTIONES FÍSICAS

Los materiales de instrucción adicionales de SEPUP incluyen módulos de SEPUP: Grados 6 a 12 Ciencia y sostenibilidad: Curso para los grados 9 a 12 Ciencias y cuestiones globales: Biología: Curso de biología para la escuela secundaria

Este material se basa en el trabajo respaldado por la Fundación Nacional para la Ciencia conforme a los subsidios 9554163 y 0099265. Cualquier opinión, resultado y conclusión o recomendación expresada en este material pertenece a los autores y no necesariamente refleja los puntos de vista de la Fundación Nacional para la Ciencia.

Para los créditos de fotografías e ilustraciones, consulta la página 101, que constituye una extensión de esta página de derechos de autor.

El formato de cita preferido para este libro es SEPUP. (2017). Ciencias y cuestiones de la vida: Ingeniería biomédica. Lawrence Hall of Science, Universidad de California en Berkeley. Ronkonkoma, NY: Lab-Aids, Inc.

Tercera edición

Q1 2 3 4 5 6 7 8 9 21 20 19 18 17

©2019 The Regents of the University of California

ISBN: 978-1-63093-463-7 v5

SEPUP Lawrence Hall of ScienceUniversidad de California en BerkeleyBerkeley CA 94720–5200

correo electrónico: [email protected] web: www.sepuplhs.org

v

Una carta para los estudiantes de Ciencias y cuestiones de la vida

Al examinar las actividades de este libro, te puedes preguntar: “¿Por qué este

libro se ve tan diferente de otros libros de ciencia que he visto?”. La razón es

simple: es un tipo diferente de programa de ciencias, ¡y solo se puede ver una

pequeña parte de lo que aprenderás al hojear este libro!

Ciencias y cuestiones de la vida usa varios tipos de actividades para enseñar

ciencias. A medida que realices estas actividades, aplicarás los mismos métodos

utilizados por los científicos para comprender el mundo natural y por los

ingenieros para resolver problemas. Por ejemplo, diseñarás y realizarás un

experimento para investigar cómo los genes y el medio ambiente afectan el

crecimiento y el desarrollo de las plantas. Analizarás e interpretarás datos reales

para explorar los efectos de una especie introducida. Y representarás cómo las

especies cambian con el tiempo y evolucionan hacia nuevas especies. Una

combinación de laboratorios, investigaciones, lecturas, modelos, debates

científicos, juegos de roles y proyectos te ayudará a desarrollar tu conocimiento

de la ciencia y la relevancia de las ciencias físicas para tus intereses.

Descubrirás qué ideas científicas importantes surgen una y otra vez en las

diferentes actividades del programa. Se espera que hagas algo más que

memorizar estos conceptos: se te pedirá que desarrolles explicaciones y

que las apliques para resolver problemas. En particular, mejorarás tus

habilidades de toma de decisiones mediante el uso de evidencia para evaluar

los resultados y decidir qué debe hacerse con los problemas científicos que

enfrenta nuestra sociedad.

¿Cómo sabemos que esta es una buena forma de aprender? En general, la

investigación en educación científica la respalda. En particular, muchas de las

actividades de este libro fueron probadas por cientos de estudiantes y sus

maestros, y luego modificadas en función de sus comentarios. Las nuevas

actividades se basan en lo que aprendimos en las aulas utilizando los materiales

y en nuevas investigaciones sobre el aprendizaje de las ciencias. En cierto modo,

todo este libro es el resultado de una investigación: hicimos que las personas

pusieran a prueba nuestras ideas, interpretamos los resultados y luego revisamos

nuestras ideas. Creemos que el resultado te mostrará que aprender más sobre

la ciencia es importante, agradable y relevante para tu vida.

Personal de SEPUP

vi

CIENCIAS Y CUESTIONES DE LA VIDA TERCERA EDICIÓN

Directora: Barbara Nagle

Codirector: John Howarth

Coordinadora: Janet Bellantoni

AUTORES

Janet Bellantoni, Tim Hurt, Laura Baumgartner, Manisha Hariani y Barbara Nagle

OTROS COLABORADORES

Tiffani Quan, Susan K. Boudreau, Daniel Seaver y Donna Markey

REVISIÓN CIENTÍFICA

John MacMahon, V2K Medical

PRODUCCIÓN

Coordinación, diseño, investigación fotográfica, composición: Seventeenth Street Studios

Coordinador de producción para Lab-Aids: Hethyr Tregerman

Edición: Kerry Ouellet

vii

CENTROS DE PRUEBAS EN CAMPO

El aula es el laboratorio de desarrollo de SEPUP. Estamos extremadamente agradecidos con los siguientes directores de centros y maestros que enseñaron el programa durante los años escolares 2003–2004 y 2004–2005. Estos maestros y sus estudiantes contribuyeron significativamente a mejorar la primera edición del curso. Desde entonces, Ciencias y cuestiones de la vida se ha utilizado en miles de aulas a lo largo de los Estados Unidos. Esta tercera edición se basa en lo que hemos aprendido de los maestros y estudiantes en esas aulas. También incluye nuevos datos e información, por lo que las cuestiones incluidas en el curso siguen siendo actuales y están actualizadas.

CENTRO REGIONAL, SUR DE CALIFORNIA

Donna Markey, Directora del Centro Kim Blumeyer, Helen Copeland, Pat McLoughlin, Donna Markey, Philip Poniktera, Samantha Swann, Miles Vandegrift

CENTRO REGIONAL, IOWA

Dr. Robert Yager y Jeanne Bancroft, Directores del Centro Rebecca Andresen, Lore Baur, Dan Dvorak, Dan Hill, Mark Kluber, Amy Lauer, Lisa Martin, Stephanie Phillips

CENTRO REGIONAL, OESTE DE NUEVA YORK

Dr. Robert Horvat, Director del Centro Kathaleen Burke, Dick Duquin, Eleanor Falsone, Lillian Gondree, Jason Mayle James Morga, Valerie Tundo

CONDADO DE JEFFERSON, KENTUCKY

Pamela Boykin, Directora del Centro Charlotte Brown, Tara Endris, Sharon Kremer, Karen Niemann, Susan Stinebruner, Joan Thieman

LIVERMORE, CALIFORNIA

Scott Vernoy, director del Centro Rick Boster, Ann Ewing, Kathy Gabel, Sharon Schmidt, Denia Segrest, Bruce Wolfe

QUEENS, NUEVA YORK

Pam Wasserman, Directora del Centro Gina Clemente, Cheryl Dodes, Karen Horowitz, Tricia Hutter, Jean Rogers, Mark Schmucker, Christine Wilk

TUCSON, ARIZONA

Jonathan Becker, Director del Centro Peggy Herron, Debbie Hobbs, Carol Newhouse, Nancy Webster

INDEPENDIENTE

Berkeley, California: Robyn McArdle Fresno, California: Al Brofman Orinda, California: Sue Boudreau, Janine Orr, Karen Snelson Tucson, Arizona: Patricia Cadigan, Kevin Finegan

CENTRO DE REVISIÓN, MENLO PARK

Tom Lyons, Director del centro Yu-Loung Chang, Heiko Ritter

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1 i n v e s t i g a c i ó n

¡Salva a Fred! 3


¿Yo, un ingeniero? 7

3 u n a l e c t u r a

Cuerpos biónicos 11

4 d i s e ñ o

Modelo de hueso artificial 19

5 d i s e ñ o

Válvula cardíaca artificial 25

6 l e c t u r a

El trabajo de un ingeniero 31


Barrita nutritiva 39

8 l a b o r at o r i o

Investigación de la biomecánica 45

9 d i s e ñ o

Sujetar objetos 51

Resumen de la unidad 57

Apéndices 59

Glosario 93

Índice 97

Créditos 101

Contenidos


Meera y Justin estuvieron en línea después de la escuela buscando información sobre los problemas cardíacos que habían debatido en

la clase de ciencias. Su abuela se acercó a mirar.

“Abuela, ¿tu marcapasos artificial es como el de esta foto?”. Meera preguntó mientras le mostraba a su abuela la imagen de un dispositivo médico del tamaño y forma de una moneda grande.

“No, esa imagen es de una versión más antigua. Tratemos de encontrar una foto de mi marcapasos”, respondió su abuela. Pronto encontraron una imagen de un marcapasos más reciente.

“¡Guau!”, exclamó Justin. “Es tan pequeño. Parece una pastilla de metal larga”.

“Es lo suficientemente pequeño como para colocarlo dentro del corazón en lugar de fuera y no está conectado con cables, como los modelos anteriores”, informó Meera después de leer la descripción en línea. “Pero no recuerdo que hayas tenido una cirugía a corazón abierto, abuela”, señaló Meera.

“Es que no la tuve”, contestó su abuela. “No tuvieron que cortarme el pecho. El médico colocó un tubo delgado muy largo, llamado catéter, en una vena de mi muslo y lo utilizó para colocar el marcapasos en el ventrículo derecho de mi corazón”.

Justin comenzó a mirar imágenes de marcapasos más antiguos, a partir de la década de 1990. Se veían muy diferentes a la imagen del que usa su abuela. Estaba un poco desconcertado. “¿Por qué los marcapasos eran mucho más grandes? ¿Por qué no fueron capaces de hacerlos más pequeños en ese momento?”.

“Esa es una buena pregunta, Justin”, reconoció su abuela. “Primero tuvieron que inventarse las nuevas tecnologías, como los pequeños microprocesadores, las baterías resistentes pero pequeñas y las técnicas quirúrgicas más sofisticadas”.

“Me pregunto si los marcapasos se harán aún más pequeños en el futuro”, comentó Meera.

Justin respondió: “Es difícil de imaginar, ¡tal vez los hagan aún más pequeños!”.

• • •

¿Cómo se relaciona la invención con las ciencias de la vida? ¿Cómo se abordan las nuevas o mejores soluciones a los problemas? La ingeniería biomédica desarrolla tecnologías para ayudar a resolver problemas médicos. En esta unidad, desarrollarás, diseñarás y optimizarás modelos de dispositivos para mejorar la salud y la seguridad humana.

BIOINGENIERÍA 3

1 ¡Salva a Fred!i n v e s t i g a c i ó n

Todos resolvemos problemas todos los días, por ejemplo, cómo llegar a la escuela con mal tiempo, abrir una ventana atascada,

arreglar una computadora, conseguir un trabajo o ingresar a la universidad. Diferentes tipos de problemas requieren diferentes enfoques de resolución de problemas. A menudo, un problema puede resolverse de más de una manera. ¿Qué haces cuando te enfrentas a un problema?

PREGUNTA ORIENTADORA ¿Qué enfoques se pueden utilizar para resolver un problema?

ACTIVIDAD 1 ¡SALVA A FRED!

4 BIOINGENIERÍA

MATERIALESPara cada par de estudiantes

1 gomita en forma de salvavidas

1 gomita en forma de gusanito

1 vaso de plástico

4 clips

PROCEDIMIENTO 1. Trabaja con un compañero para resolver el siguiente problema. En la

página siguiente, hay una imagen del armado. 1

2. Trabaja con un compañero para anotar en tu cuaderno de ciencias exactamente lo que hiciste para salvar a Fred. Sé tan específico como puedas. Por ejemplo, ¿modificaste uno de los clips? ¿Cómo evitaste lastimar a Fred? Es posible que desees hacer un dibujo o un diagrama para explicar tu procedimiento.2

1 NGSPAQ22 NGED1A1

¡Salva a Fred!

¡Pobre Fred! Estaba navegando en un bote (su vaso de plástico) cuando un fuerte viento lo dio vuelta. Fred (tu gusano de goma) terminó encima del bote dado vuelta. Desafortunadamente para Fred, su salvavidas (tu salvavidas con forma de caramelo) aún está atrapado debajo del bote.

Tu trabajo es colocar el salvavidas firmemente alrededor del cuerpo de Fred, pero debes seguir tres reglas:

• Solo puedes tocar los cuatro clips. Solo se pueden usar clips para mover a Fred, el bote y el salvavidas.

• No puedes herir a Fred de ninguna manera.

• Fred no puede caer en el “mar” (sobre la mesa) más de una vez. Si Fred cae, se “ahogará”.

¡SALVA A FRED! ACTIVIDAD 1

BIOINGENIERÍA 5

3. Intercambia procedimientos con el otro par de compañeros de tu grupo. Trata de seguir su procedimiento. Si no puedes salvar a Fred usando sus instrucciones, pídeles que aclaren sus descripciones.

4. Con la clase, compartan métodos para salvar a Fred. Comparen la variedad de estrategias utilizadas para resolver con éxito el problema.3

ANÁLISIS 1. Puedes resolver problemas de varias maneras. De hecho, más de

un método puede resolver el mismo problema. Puedes hacer lo siguiente:4

a. ¿Cuál de estas maneras usaron tú y tu compañero para salvar a Fred?

b. Describe un problema relacionado con salvar a Fred que podría resolverse utilizando uno o más de los métodos mencionados anteriormente. Anota el problema y cómo los enfoques que elegiste podrían ayudar a resolver el problema.

2. ¿En qué se parecían y en qué se diferenciaban los métodos de resolución de problemas de otros en tu clase?

3. ¿Crees que los científicos e ingenieros utilizan un solo enfoque para resolver problemas? Explica tu respuesta.

4. Piensa en un problema que hayas resuelto recientemente. ¿Qué hiciste en esta actividad que sea similar a la manera en que resolviste ese problema?

3 NGED1A14 NGED1B3

• desarrollar un plan

• buscar soluciones

• hacer un dibujo o diagrama

• actuar el problema

• probar una idea

• empezar por el final

• escribir una ecuación

• construir una tabla o un gráfico

• simplificar el problema

• crear un modelo

• combinar soluciones

• rediseñar un dispositivo

• evaluar una solución

• compartir ideas

ACTIVIDAD 1 ¡SALVA A FRED!

6 BIOINGENIERÍA

5. Observa los tres métodos que se muestran a continuación. ¿Cuál se ajusta mejor a la manera en que tú y tu compañero decidieron salvar a Fred? Explica si siguieron o no los pasos en el orden mostrado.

Método 1

1. Identificar el problema.

2. Proponer una solución.

3. Realizar un experimento.

Método 2

1. Plantear la cuestión.

2. Proponer una explicación.

3. Realizar un experimento.

4. Analizar los datos.

5. Llegar a una conclusión.

Método 3

1. Definir el problema.

2. Proponer ideas.

3. Diseñar y elaborar una solución.

4. Probar y evaluar la solución.

5. Rediseñar en función de los resultados.

6. Un científico persigue la comprensión del mundo natural mediante el uso de pruebas para responder preguntas. Un ingeniero usa la ciencia y las herramientas para elaborar un producto que resuelva un problema práctico. ¿Cuál de los métodos enumerados en el elemento anterior refleja lo siguiente?

a. El trabajo de un científico que usa evidencia para responder una pregunta.

b. El trabajo de un ingeniero que diseña soluciones para resolver problemas.

Explica tus elecciones.

BIOINGENIERÍA 7

2 ¿Yo, un ingeniero?i n v e s t i g a c i ó n

Un ingeniero es cualquier persona que diseña, construye o mantiene motores, máquinas, estructuras o procesos para resolver

problemas prácticos. Un ingeniero biomédico es un tipo específico de ingeniero que utiliza la tecnología, las matemáticas y el conocimiento de los sistemas biológicos para resolver problemas biológicos o médicos. Los ingenieros biomédicos a menudo diseñan, construyen y prueban dispositivos o procedimientos para ayudar a las personas. Los ejemplos de productos que los ingenieros biomédicos han desarrollado incluyen articulaciones artificiales, marcapasos y escáneres de imágenes por resonancia magnética (IRM), que toman imágenes de los tejidos blandos del cuerpo.

Aunque es posible que nunca hayas pensado en ti mismo como un ingeniero, probablemente, hayas creado soluciones para los problemas que has encontrado. En esta actividad, simularás ser un ingeniero con un brazo fracturado que está descubriendo formas de realizar varias tareas con un solo brazo.5

¡Ay!

Arti se fracturó el brazo cuando, accidentalmente, se cayó de su bicicleta. Se le colocó un yeso desde la mitad de la parte superior del brazo hasta la primera articulación de los dedos y luego un cabestrillo. Para empeorar las cosas, no puede mover la mano con el yeso, ¡y es la mano con la que Arti normalmente escribe! Su lesión le dio una nueva perspectiva en su rutina diaria porque le resultaba difícil completar las tareas diarias con un solo brazo.

PREGUNTA ORIENTADORA ¿Qué herramientas y estrategias puedes diseñar para lidiar con un brazo fracturado?6

5 NGCCCO16 NGSPAQ2

Esta radiografía muestra fracturas en el radio y el cúbito ubicados en el antebrazo.

ACTIVIDAD 2 ¿YO, UN INGENIERO?

8 BIOINGENIERÍA

MATERIALESPara cada grupo de cuatro estudiantes

1 rollo de hilo

1 rollo de cinta adhesiva

2 hojas de cartulina

1 par de tijeras

Para cada par de estudiantes

1 cabestrillo triangular

1 alfiler de seguridad

Para cada estudiante

1 Hoja para el estudiante 2.1, “Registro de soluciones”

PROCEDIMIENTO 1. Con tu compañero, decide quién usará primero el cabestrillo.

Después de visitar las estaciones, cambiarás los roles, y el otro compañero probará las estaciones mientras usa el cabestrillo.

2. Haz que la primera persona simule tener el brazo fracturado colocando su brazo dominante (el que generalmente se usa para escribir) en un cabestrillo. Mira las siguientes ilustraciones para descubrir cómo hacer un cabestrillo.

Cómo atar un cabestrilloa. Coloca el vendaje triangular debajo del

brazo con la punta hacia el codo.b. Lleva el extremo inferior hacia arriba y

alrededor de la parte posterior del cuello.c. Ata los extremos detrás del cuello.

LabAids SEPUP IAPS BME 3eFigure: BME3e SB 2_2MyriadPro Reg 9.5/11

a.


c.


b.

¿YO, UN INGENIERO? ACTIVIDAD 2

BIOINGENIERÍA 9

3. Dirígete a cada estación según lo indique tu maestro e intenta realizar la tarea descrita en la tarjeta de la estación. Con tu compañero, diseña una solución al problema. Aunque el compañero con el cabestrillo no puede tener ayuda física para resolver el problema, trabajen juntos para encontrar la manera de realizar la tarea. Puedes desarrollar una estrategia o utilizar los suministros provistos para armar una herramienta simple. Intenta inventar una solución que le permita a alguien realizar esta actividad diaria de manera independiente.7

4. Al completar cada tarea, pídele a tu compañero que registre su solución en la Hoja para el estudiante 2.1, “Registro de las soluciones”. Identifica las herramientas y estrategias que utilizaste.

5. Piensa en tu solución del paso anterior e intenta optimizarla, es decir, hazla tan buena como puedas dadas las restricciones. Puedes mejorar tu solución a la tarea combinando soluciones o reduciendo los pasos. Tu objetivo es elaborar creativamente una solución más eficiente. Registra tu solución mejorada en la Hoja para el estudiante 2.1. 89

6. Después de haber visitado la primera mitad de las estaciones, haz que tu compañero use el cabestrillo y repite los pasos 3 a 5 para la segunda mitad de las estaciones.

7. Con tu compañero, revisa las estaciones e identifica las preguntas que hiciste que te ayudaron a crear soluciones.

ANÁLISIS 1. ¿Cuál fue la mejor solución que se te ocurrió durante la actividad?

Explica qué hizo que sea mejor que otras soluciones.

2. Describe el problema más desafiante que crees que enfrentarías en la vida cotidiana si te fracturaras el brazo. 10

a. ¿Qué preguntas tienes sobre este problema?

b. Explica cómo resolverías este problema con una herramienta o un proceso.

3. ¿Cuáles fueron las fortalezas y debilidades del modelo de poner tu brazo en un cabestrillo para ver cómo sería realmente fracturarse el brazo?

Sugerencia: Antes de responder a esta pregunta, es posible que desees entrevistar a algunas personas que han lidiado con lesiones reales.

7 NGSPAQ28 NGED1B39 NGED1C210 NGSPAQ2

ACTIVIDAD 2 ¿YO, UN INGENIERO?

10 BIOINGENIERÍA

4. Imagina un yeso usado para un brazo fracturado. El yeso tiene una estructura. La estructura es la forma en que algo se forma, construye u organiza. Explica de qué manera la estructura contribuye a la función. Función es el propósito para el cual se usa una cosa en particular.

5. Identifica un problema cotidiano que te gustaría resolver. Describe el problema y aclara qué es y qué no es parte del problema. 111213

a. ¿Qué personas o grupos necesitan que este problema se resuelva?

b. ¿Qué necesidades quedarán satisfechas resolviendo el problema?

c. ¿Qué ideas científicas o información son relevantes para el problema?

d. ¿Cuáles son los posibles impactos sociales y ambientales de una solución?

e. ¿Qué tan importante es resolver este problema?

f. ¿Qué solución o herramienta te gustaría inventar para resolver este problema?

EXTENSIÓNEntrevista a una persona de tu comunidad que tenga una discapacidad; pregúntale sobre algunas de las herramientas y estrategias que utiliza en la vida diaria y cómo se beneficia de las tecnologías biomédicas disponibles.

11 NGCCCO312 NGSPAQ213

Un estudiante ciego lee braille creado en una máquina de braille.

BIOINGENIERÍA 11

3 Cuerpos biónicosu n a l e c t u r a

En la última actividad, desarrollaste herramientas y estrategias para resolver los problemas que enfrentarías si no pudieras usar uno

de tus brazos. Las personas inventan estrategias o herramientas para resolver muchos tipos de problemas. Por ejemplo, memorizar los pasos es una estrategia que usan las personas ciegas para desplazarse por un entorno familiar. Los anteojos son una herramienta que las personas con problemas de visión utilizan para ver mejor. En algunos casos, las herramientas están diseñadas para ayudar a las estructuras corporales existentes, como sucede con los anteojos. En otros casos, las herramientas se usan para reemplazar partes del cuerpo en conjunto, como en el caso de una cadera artificial. En esta actividad, leerás acerca de algunas personas que se han visto afectadas por los avances en dispositivos biomédicos.14

14 NGCCSF2

El proyecto del “increíble hombre biónico” combinó todas las piezas protésicas disponibles actualmente para construir un solo “cuerpo” funcional. Está hecho enteramente de tecnologías usadas en personas reales. El rostro se basa en Bertolt Meyer, un profesor suizo y usuario de prótesis de por vida.

ACTIVIDAD 3 CUERPOS BIÓNICOS

12 BIOINGENIERÍA

PREGUNTA ORIENTADORA ¿Cómo ha cambiado la vida el desarrollo de partes artificiales del cuerpo?

MATERIALESPara cada estudiante

1 Hoja para el estudiante 3.1, “Guía de lectura de tres niveles: Cuerpos biónicos”15

LECTURA Utiliza la Hoja para el estudiante 3.1, “Guía de lectura de tres niveles: Cuerpos biónicos” como guía a medida que completas la siguiente lectura.

Estudio de caso 1

Aimee Mullins es una exitosa modelo y actriz. Ha trabajado como modelo de moda, ha estado en más de una docena de películas y programas de televisión, y ha aparecido en más de 40 libros o revistas. Aimee incluso ha hablado sobre temas de imagen corporal, identidad, diseño e innovación en una conferencia muy conocida.

Pero Aimee Mullins no es como la mayoría de las personas. Nació sin los peronés en ambas piernas. El peroné es uno de los dos huesos largos de la parte inferior de la pierna. Cuando Aimee era una bebé, sus padres tomaron la difícil decisión de que le amputaran las piernas justo debajo de las rodillas. Esto le daría la posibilidad de aprender a caminar con piernas ortopédicas. A los dos años, había aprendido a caminar con las prótesis que eran típicas de esa época, pesadas y de madera. A pesar de esto, Aimee bailaba, jugaba al fútbol, esquiaba y andaba en bicicleta. En la universidad, se convirtió en la primera persona amputada en competir en los eventos de pista y campo de la División I de la NCAA.

15 SELTTL1

Kelly Cartwright, de Australia, obtiene una medalla de oro en el salto de longitud en los Juegos Paralímpicos de 2012 en Londres, Inglaterra.

CUERPOS BIÓNICOS ACTIVIDAD 3

BIOINGENIERÍA 13

Luego, pasó a los Juegos Paralímpicos, donde compitió en la carrera de 100 m y el salto de longitud. Fue la primera persona del mundo en usar pies ortopédicos Flex-Foot “Cheetah”, una estructura de fibra de carbono diseñada para correr.

Ahora Aimee tiene más de una docena de pares de piernas ortopédicas, que incluyen diseños que son adecuados para deportes, algunos para uso diario y un par cosmético de piernas que se ven y se sienten como si fueran reales.

Sin las nuevas tecnologías de los últimos 40 años, Aimee no podría tener unas piernas ortopédicas tan útiles. Con el tiempo, los ingenieros creativos han mejorado las piernas ortopédicas y han analizado cuidadosamente la estructura y función normal del cuerpo. Luego, utilizaron materiales y estructuras especializadas para imitar las mismas funciones. Hoy en día, los diseñadores más innovadores están desarrollando una prótesis que se conecta directamente a los nervios del usuario. Este dispositivo mejora las habilidades al enviar información directamente al sistema nervioso central.16

Estudio de caso 2

Brendan Monson es un estudiante de secundaria a quien se le diagnosticó diabetes tipo 1 (DT1) cuando tenía 5 años. Su cuerpo no produce insulina. La insulina es una hormona producida por el páncreas. El cuerpo necesita insulina para absorber los azúcares simples del torrente sanguíneo hacia las células del cuerpo. Brendan tiene que controlar constantemente sus niveles de azúcar e inyectarse insulina para mantener la cantidad correcta de azúcar en sangre. Equilibrar los niveles de azúcar, los alimentos, el ejercicio y otras variables para elegir su dosis de insulina implica un monitoreo y cálculos constantes.

Controlar la enfermedad cuando era más joven significaba renunciar a la flexibilidad y hacer que toda la familia ajustara sus rutinas. Por ejemplo, tenía que levantarse temprano todos los días para recibir insulina a la misma hora todas las mañanas. Sus padres desarrollaron un problema crónico de sueño al levantarse cada pocas horas en la noche para controlar su nivel de azúcar en la sangre mientras dormía. Ahora, como adolescente, está asumiendo la responsabilidad de su propio control de la insulina. Brendan ha tenido conflictos con sus padres con respecto al manejo de la insulina por su cuenta. Si bien se está independizando de ellos a medida que crece, incluso un poco de negligencia puede dar lugar a una situación que ponga en peligro la vida. Además, los cambios físicos en la adolescencia pueden hacer que el control del azúcar en la sangre de Brendan sea aún más complicado.

16 NGCCSF2


14 BIOINGENIERÍA

Algunas personas controlan su DT1 con un dispositivo biomédico llamado bomba de insulina. Una bomba de insulina administra insulina a través de un tubo plástico delgado y flexible que se conecta a una aguja insertada a través de la piel. Aunque aún tienen que controlar los niveles de azúcar, muchas personas prefieren este sistema continuo de administración de insulina en lugar de las inyecciones.

Un dispositivo emergente disponible para los pacientes con DT1 es un sistema de páncreas artificial. Este dispositivo utiliza un sensor de azúcar en la sangre para controlar el nivel de azúcar del paciente y, luego, administra insulina cuando es necesario. A diferencia de una bomba de insulina tradicional, mantiene niveles aceptables de azúcar con el mínimo esfuerzo del paciente. No cura la enfermedad, pero puede hacer que sea más fácil y más seguro vivir con DT1. Se han realizado pruebas de los dispositivos más nuevos en entornos controlados, incluso con adolescentes como Brendan que desean controlar su enfermedad sin supervisión. En uno de los ensayos, los adolescentes informaron que el dispositivo ofrece de manera segura una mejora de la calidad de vida para el uso durante la noche. El sistema se probó en un ensayo clínico a largo plazo de pacientes en sus entornos cotidianos. Los resultados se compararon con el uso de una bomba de insulina de la generación anterior. El éxito de la prueba cumplió los requisitos necesarios para la aprobación del gobierno para adultos y adolescentes de 14 años en adelante con DT1.

Participar en un ensayo clínico, como el que utiliza el sistema de páncreas artificial, es diferente de tener la atención regular de su propio médico. El propósito principal de un ensayo clínico es estudiar terapias que sean prometedoras pero que necesiten pruebas de que son seguras y efectivas para ser utilizadas por muchas personas. El tratamiento se considera experimental durante el estudio clínico. Sin embargo, algunos pacientes están dispuestos a aceptar este riesgo a cambio de la posibilidad de utilizar un nuevo tratamiento prometedor que, con suerte, se aprobará después del ensayo. Brendan Monson se alegra de que el ensayo clínico del nuevo sistema de monitoreo y administración de insulina haya sido exitoso, así puede usar esta nueva tecnología para controlar mejor su diabetes.

El sistema híbrido de páncreas artificial monitorea continuamente los niveles de glucosa del usuario y administra automáticamente la insulina. El dispositivo que se muestra en la imagen es el sistema MiniMed® 670G fabricado por Medtronic.


BIOINGENIERÍA 15

Estudio de caso 3

En 1982, el Dr. Barney Clark estuvo gravemente enfermo y hospitalizado. El dentista de 62 años estaba muriendo debido a una falla multiorgánica, y había llegado al punto en que no había más opciones médicas para él. Barney tenía insuficiencia cardíaca congestiva, lo que significa que su corazón no estaba bombeando sangre como debería. El corazón funcionaba, pero no se satisfacía la necesidad de sangre y oxígeno del cuerpo.

Barney sabía que no tenía mucho tiempo de vida, pero aceptó someterse a una cirugía para reemplazar su corazón debilitado por uno artificial, llamado Jarvik 7 (por su inventor, Robert Jarvik). El Jarvik 7 estaba formado por ventrículos de reemplazo que se introdujeron en la cavidad torácica de Barney y estaba conectado a una “consola eléctrica” del tamaño de un refrigerador pequeño. Proporcionaba electricidad y aire comprimido para hacer funcionar el corazón.

Barney accedió a la cirugía, no tanto para aumentar su supervivencia, sino para promover la ciencia. De hecho, antes de la operación dijo a los médicos que no esperaba vivir más de unos pocos días, pero el éxito del corazón lo llevó a vivir durante 112 días. Aunque el corazón fue un éxito médico, Barney sufrió mucho antes de su muerte. Su dura experiencia fue muy publicitada por los medios de comunicación de todo el mundo. Una solución cardíaca permanente tiene un gran atractivo porque la necesidad de trasplantes de corazón supera con creces la oferta y porque pocos pacientes de trasplante de corazón sobreviven por mucho tiempo.

El corazón artificial reemplaza temporalmente los ventrículos y las válvulas con un dispositivo hecho por el hombre que hace circular la sangre alrededor del cuerpo. Es alimentado por una bomba que se lleva externamente en un contenedor rígido. Cortesía de Syncardia.com


16 BIOINGENIERÍA

Desde una perspectiva científica, el rendimiento del Jarvik 7 superó las expectativas. Sin embargo, la experiencia de Barney avivó muchos sentimientos, como si el corazón artificial permanente fuera algo poco ético. En las décadas siguientes, los ingenieros se enfocaron en desarrollar dispositivos que ayudaban a los corazones en lugar de reemplazarlos de manera permanente. Desde entonces, se han desarrollado corazones artificiales confiables para usarlos durante la cirugía o para extender el tiempo entre la insuficiencia cardíaca y un trasplante de corazón. Muchos de estos dispositivos e implantes han mejorado a medida que la tecnología de la batería ha ido mejorando, lo que ha dado lugar a baterías que pesan menos y duran más.1718

Diseñar para el éxito

Las nuevas herramientas y procedimientos en el campo de la medicina están ayudando a las personas a vivir más y llevar vidas más sanas. Desde gafas y piernas artificiales hasta técnicas quirúrgicas modernas, la tecnología está ayudando a más y más personas a mejorar su calidad de vida. El proceso de diseño, las pruebas en entornos artificiales y los ensayos clínicos en pacientes han llevado a muchos éxitos.

En todos estos estudios de caso, el desarrollo de los dispositivos médicos comenzó con una comprensión de las ideas científicas, incluidas la estructura y función normales a copiar. Sobre la base del problema que deben resolver, los ingenieros biomédicos identifican criterios y restricciones para sus diseños. Un criterio es un requisito mínimo de cómo debe funcionar el diseño. Un criterio para el diseño del páncreas artificial es que debe calcular con precisión la dosis de insulina para mantener los niveles de azúcar en sangre. Una restricción es algo que limita o restringe el diseño, como la disponibilidad de un material o parte en particular que se necesita, o los límites en el tamaño o costo final del diseño. Una restricción para un páncreas artificial es que el dispositivo debe funcionar con baterías. En la tabla a continuación, se muestran estos y otros criterios básicos, y restricciones de los estudios de caso.

CRITERIOS RESTRICCIÓN

Estudio de caso 1:Piernas ortopédicas

Uniones móviles, permite zancadas naturales, materiales duraderos.

No pueden ser demasiado pesadas para usar, deben caber en la ropa.

Estudio de caso 2:Sistema de insulina

Fiable, calcula con precisión la dosis de insulina.

El dispositivo debe funcionar con baterías reemplazables o recargables, y debe ser portátil.

Estudio de caso 3:Corazón artificial

Funcionamiento confiable, transporta exitosamente la sangre por todo el cuerpo.

Debe caber dentro de la cavidad torácica, debe funcionar con baterías reemplazables o recargables.

17 NGCCCO3 18 NGED1A1


BIOINGENIERÍA 17

Una solución exitosa para problemas como los descritos en esta actividad dependía de la capacidad de los ingenieros biomédicos para identificar con mayor precisión los criterios y las limitaciones de los problemas. También necesitaban conocer los principios científicos relevantes y comprender cómo sus soluciones podrían verse limitadas por la forma en que podrían afectar a las personas y al medio ambiente. 19

Posibles impactos ambientales

El impacto de un dispositivo médico incluye los efectos positivos en el paciente, así como también los efectos negativos en el paciente o el medio ambiente. Un ejemplo de innovación que ha llevado a efectos tanto positivos como negativos es el uso de plásticos en dispositivos biomédicos. Los plásticos son ideales para dispositivos desechables de un solo uso, como jeringas, bolsas intravenosas y tubos, ya que son de bajo costo, requieren poca energía para su producción y son livianos. Sin embargo, usar una gran cantidad de plástico crea un problema con su eliminación porque, por lo general, no es biodegradable, y el reciclaje del plástico es problemático. Por ejemplo, las bolsas y los tubos intravenosos representan el 25% de toda la basura del hospital. Si bien los plásticos de los dispositivos médicos representan un pequeño porcentaje de todos los desechos plásticos (la mayor parte se destina a todas las formas de envasado), se debe considerar el impacto negativo de los plásticos en el medio ambiente. Al igual que todas las actividades humanas, la ingeniería se basa en recursos naturales que tienen consecuencias a corto y largo plazo. Aunque la reducción del impacto ambiental puede limitar las opciones de diseño actuales, el diseño futuro está impulsado por los resultados de la investigación, las necesidades de las personas y el deseo de reducir los efectos negativos.20

19 NGED1A120 NGCCCO3

El hospital usa bolsas intravenosas, tubos y jeringas que, generalmente, están hechos de plástico, como los que se muestran aquí.


18 BIOINGENIERÍA

ANÁLISIS 1. Describe al menos tres ejemplos que no se encuentren en la lectura

de las formas en que la tecnología ayuda a las personas a superar las limitaciones físicas.

2. Para cada estudio de caso, explica cómo la persona se benefició o no con la ingeniería biomédica. 2122

3. Para el caso del diseño de prótesis para Aimee Mullens, menciona...

a. ...algunos criterios del diseño. 23

b. ...algunas restricciones del diseño.

c. ...algunos principios científicos involucrados.

d. ...algunos impactos del diseño en los demás.

e. ...algunos impactos del diseño en el medio natural.24

4. ¿Qué problemas en medicina todavía necesitan mejores soluciones? Da un ejemplo y explica por qué crees que, en nuestra sociedad, hay una gran necesidad de resolverlos.2526

5. Piensa en un dispositivo biomédico de tu elección que aún no se haya inventado. Describe el dispositivo y luego explica lo siguiente: 2728

a. Los criterios de diseño del dispositivo.

b. La ciencia relevante para el diseño.

c. Los posibles impactos positivos y negativos en las personas.

d. Las cosas que limitan los posibles diseños.

6. Reflexión: ¿Participarías alguna vez en un ensayo clínico? Justifica tu respuesta.

EXTENSIÓN Visita la página de Ingeniería biomédica de la tercera edición de SEPUP del sitio web de SEPUP en www.sepuplhs.org/middle/third-edition para aprender más sobre los órganos artificiales y el hombre biónico. 29

21 ELRS68222 NGCCCO223 ELRS68124 NGCCCO325 NGSPAQ226 NGCCCO227 NGPED1128 SEASEX129 ELRS689

BIOINGENIERÍA 19

4 Modelo de hueso artificiald i s e ñ o

Los ingenieros diseñan muchas partes artificiales del cuerpo, incluidos los huesos. Diseñar huesos de reemplazo para el cuerpo

humano requiere comprender la importante estructura y función de los huesos. Los huesos deben ser lo suficientemente fuertes para soportar los músculos y tejidos tanto en reposo como durante el ejercicio. El hueso natural pesa sorprendentemente poco, especialmente, en los animales que vuelan. También son ligeramente flexibles, de modo que, bajo una tensión normal, se doblan un poco en lugar de romperse, como lo hacen las ramas de los árboles. Para ser útiles en una prótesis de brazo o pierna, los huesos artificiales también deben ser fuertes, flexibles y livianos.30

En esta actividad, harás un modelo de un hueso artificial. Un modelo es cualquier representación de un sistema o sus componentes utilizados para ayudarnos a comprender y comunicar cómo funciona el sistema. Podría ser un diagrama, un programa informático o un dispositivo reducido a menor escala. El modelo de hueso artificial que construyas en esta actividad será un prototipo. Un prototipo es la muestra inicial de un producto que proporciona información sobre cómo funciona el dispositivo o sistema. Un prototipo puede usar materiales sustitutos por practicidad, como construir un marco con piezas de metal en lugar de plástico moldeado. Un prototipo ofrece una forma de probar, evaluar y luego utilizar nuevas ideas para mejorar un diseño.31

30 NGCCSF231 NGED1B4


Hueso esponjoso

Hueso compacto

Cartílago

Médula ósea roja

Médula ósea amarilla

Vasos sanguíneos

El hueso humano está formado por una capa externa densa y dura, y una estructura interna esponjosa con forma de panal.

ACTIVIDAD 4 MODELO DE HUESO ARTIFICIAL

20 BIOINGENIERÍA

PREGUNTA ORIENTADORA ¿Cómo puedes diseñar un prototipo de un hueso artificial que sea fuerte y liviano?


1 barra de madera

4 hojas de papel de impresora

12 tiras de papel, de aproximadamente 2 pulgadas x 11 pulgadas

1 regla métrica

1 toalla

50 monedas (1 rollo)

1 escala

cinta adhesiva transparente

relleno de poliéster

recipiente cilíndrico con colgador de hilo


1 Hoja para el estudiante 4.1, “Prototipos iniciales de hueso”

PROCEDIMIENTO32

Parte A: Define el problema

1. Observa la demostración de tu maestro de cómo probar tu prototipo de hueso artificial para determinar la resistencia en esta actividad. La resistencia se determinará llenando el recipiente con masa hasta que ocurra la falla. Tu prototipo falla cuando la masa se desliza del extremo. 33

2. Lee los siguientes criterios y restricciones de diseño para el prototipo de hueso artificial. Como clase, aclaren o agreguen cualquier criterio o restricción relevante al desafío del diseño.34

Criterios de diseño

El diseño debe cumplir con los siguientes requisitos:

• Tener al menos 21 cm de largo.

• Ser capaz de soportar el recipiente cilíndrico colgante sin que el recipiente se deslice.

• No incluir ningún reborde u obstrucción que pueda evitar que la masa se deslice.

• Tener una relación mínima resistencia-masa de 14:1.

32 NGSPDM333 NGED1B234 NGED1A1

MODELO DE HUESO ARTIFICIAL ACTIVIDAD 4

BIOINGENIERÍA 21

Restricciones de diseño

El diseño está limitado por lo siguiente:

• El uso de un cilindro de papel como base del hueso artificial.

• El uso de solo los materiales proporcionados.

• La unión de todos los materiales con cinta.

3. Como clase, hagan una tabla como la que se muestra a continuación y estimen la masa de los materiales.

Masa de los materiales

Material Masa

Hoja de papel

Tira de papel

Relleno (por volumen)

Cinta (por área)

Parte B: Propone prototipos

4. Analiza diferentes maneras en que podrías fortalecer la base de tu hueso artificial rellenando o agregando papel mientras mantienes un bajo peso. Presenta tantas ideas como sea posible sobre cómo diseñar el hueso artificial y haz una lista de esas ideas. Con tu grupo, elige las cuatro mejores ideas de la lista.

5. En la Hoja para el estudiante 4.1, “Prototipos iniciales de huesos”, dibuja y etiqueta los diagramas de tus prototipos de huesos. En este punto, debes estimar la cantidad de cada material que necesitarás en tus diseños.


2 cm

2 cm


22 BIOINGENIERÍA

Parte C: Construye tu diseño

6. Cada persona del grupo debe hacer uno de los cuatro prototipos iniciales seleccionados por tu grupo.

7. Para crear el cilindro de papel, enrolla el papel sobre una barra de madera, pasa el papel sobre sí mismo y luego retira la barra de madera del cilindro de papel.

8. En la Hoja para el estudiante 4.1, mide y anota la masa de tu prototipo.

9. Haz que todos los miembros del grupo compartan los dibujos y prototipos iniciales dentro de tu grupo.

Parte D: Prueba y evalúa

10. Haz una marca en cada hueso a 2 cm de un extremo y otra marca a 2 cm del otro extremo.

11. Usa el procedimiento que mostró tu maestro y se ilustró en la Parte A para probar la capacidad de los prototipos iniciales de tu grupo a fin de soportar peso. Agrega peso gradualmente al prototipo que se está probando hasta que el recipiente cilíndrico se deslice. Registra la cantidad de masa que tu prototipo pudo soportar en la Hoja para el estudiante 4.1. 35363738394041

12. Usa tus resultados para evaluar cuál de los cuatro diseños debe modificarse para la siguiente ronda de pruebas. Para ello, calcula la relación resistencia-masa de cada uno de tus diseños en la Hoja para el estudiante 4.1 e identifica qué prototipo tiene la mejor relación resistencia-masa. 4243

35 NGSPUM136 SEASEN137 MAMP68138 MARP6A139 MARP6A340 NGSPUM141 NGSPAD142 NGED1C243 NGED1B1

MODELO DE HUESO ARTIFICIAL ACTIVIDAD 4

BIOINGENIERÍA 23

13. Decide si se puede combinar alguna parte de los cuatro diseños para crear una solución que sea mejor que cualquiera de los cuatro prototipos anteriores. Además, identifica nuevas ideas que puedan crear un mejor diseño.44

14. Rediseña tu prototipo cambiando solo la variable que identificaste en el paso anterior. Una variable es un factor cambiante. En un experimento, lo que se estudia es la variable.

Parte E: Rediseña y optimiza

15. Crea un nuevo prototipo que optimice el diseño; proporciona la mayor relación posible resistencia-masa. Anota los datos en tu cuaderno de ciencias. 454647

16. Vuelve a probar y evaluar tu prototipo como lo hiciste en el paso 12.

Parte F: Comparte diseños

17. Según lo indicado por tu maestro, presenta tu proceso de desarrollo a la clase. Incluye lo siguiente: 484950

• Una descripción de tu procedimiento para construir tus prototipos.

• Los datos que recopilaste.

• Las maneras en que optimizaste tu diseño.

• Cualquier conclusión que puedas sacar en función de los datos que recopilaste.

18. Con tu clase, determina si se podría hacer un diseño mejor combinando las características de las soluciones presentadas.51

ANÁLISIS 1. ¿Cuál de tus prototipos... 52

a. ...fue más resistente?

b. ...fue más liviano?

c. ...tuvo la mejor relación resistencia-masa?

2. Describe cualquier compensación que hayas hecho en tu diseño final. Una compensación hace referencia al intercambio de un resultado por otro, en el cual se renuncia a algo que es un beneficio o una ventaja a cambio de otra cosa que puede ser más deseable.

44 NGED1B345 NGED1B346 NGED1C247 NGED1C148 ELSL08449 SEASEN150 MAMP68151 NGED1B352 MAMP681

Los espacios en blanco de esta radiografía muestran una cadera artificial que consiste en un vástago de metal, una cabeza articular y un componente acetabular.


24 BIOINGENIERÍA

3. Describe las similitudes y diferencias de características en tus prototipos.

4. ¿Cómo habría diferido tu diseño si solo necesitara cumplir con un criterio de gran resistencia? Explica cuál de tus cuatro prototipos iniciales hubieras intentado optimizar.

5. Si tuvieras más tiempo y pudieras usar cualquier material, ¿cuál sería tu próximo diseño? Dibújalo y etiquétalo para mostrar los cambios que harías.

6. ¿Cuál de los prototipos de huesos artificiales de la clase parece más prometedor para el desarrollo futuro? Explica tu respuesta.

7. ¿Cómo podría usarse un tubo liviano pero resistente para reemplazar huesos? Haz una lista de al menos tres ideas.

BIOINGENIERÍA 25

5 Válvula cardíaca artificiald i s e ñ o

En la última actividad, usaste tus ideas para desarrollar un diseño. Esto es similar a cómo los ingenieros de todo tipo participan en

un proceso para desarrollar nuevas ideas en productos. El proceso de diseño de ingeniería consiste en una serie de pasos que los ingenieros siguen para encontrar la solución a un problema. Muchas veces, la solución implica crear un producto, como una máquina o un programa de computadora, para completar una tarea determinada. A continuación, se muestra el diagrama de un proceso de diseño común.


Identi�car el problema

Búsqueda de soluciones

Diseñar

Construir

Probar y evaluarRediseñar

Compartir la solución

ACTIVIDAD 5 VÁLVULA CARDÍACA ARTIFICIAL

26 BIOINGENIERÍA

En esta actividad, utilizarás el proceso de diseño de ingeniería para hacer un prototipo de una válvula cardíaca. Los médicos e ingenieros biomédicos han trabajado juntos para diseñar y construir dispositivos artificiales para reemplazar las piezas dañadas. Por ejemplo, las aortas y válvulas artificiales ahora pueden reemplazar sus estructuras dañadas correspondientes. A veces, estos dispositivos se usan temporalmente hasta que un paciente puede recibir un trasplante de corazón vivo. 535455

PREGUNTA ORIENTADORA ¿Cómo puedes diseñar un prototipo de válvula cardíaca a partir de materiales comunes?


2 vasos graduados de 30 ml

2 canicas

1 pequeña bolsa de sándwich

¼ barra de plastilina

1 cronómetro o acceso a un reloj con segundero

1 recipiente de plástico grande (para contener agua)

1 esponja o toallas de papel

dedo(s) de guante mediano sin látex

dedo(s) de guante mediano de plástico

dedo(s) de guante para lavar platos de látex

tubos transparentes de menor diámetro

tubos transparentes de mayor diámetro

Para cada par de estudiantes

1 vaso de plástico

1 par de tijeras

cinta adhesiva transparente


1 Hoja para el estudiante 5.1, “Evaluación de diseños”

SEGURIDADSi eres alérgico al látex, asegúrate de informárselo a tu maestro antes de que comience la actividad. No uses los guantes de látex si tienes una reacción alérgica a ese material.

53 NGSPCE354 NGSPAQ255 NGED1B4

VÁLVULA CARDÍACA ARTIFICIAL ACTIVIDAD 5

BIOINGENIERÍA 27

PROCEDIMIENTOParte A: Información general

1. Con tu compañero, lee la siguiente información general sobre cómo funcionan las válvulas cardíacas.56

El corazón se compone de cuatro cámaras que funcionan como dos bombas. La sangre siempre entra al corazón a través de cualquiera de las dos cámaras conocidas como aurículas. La sangre se bombea desde el corazón a través de los ventrículos. El siguiente diagrama muestra la ubicación de las principales partes del corazón. La aorta es la arteria principal que lleva sangre desde el corazón. El flujo de sangre es controlado por las válvulas aórticas. Las válvulas aórticas se abren para permitir que la sangre salga del corazón y se cierran para evitar que fluya hacia atrás. Esta válvula y otras se pueden escuchar cuando escuchas el lub-dub (ruido) de los latidos de tu corazón.

Con algunas afecciones médicas, la aorta puede dilatarse. Algunas veces, las válvulas no funcionan correctamente como resultado de infecciones o medicamentos, o porque no se formaron correctamente. Cuando esto sucede, las válvulas aórticas no se cierran completamente y la sangre puede fluir de regreso al corazón. Esta afección grave puede tratarse si la dilatación se detecta a tiempo. Si no es tratada, la aorta puede dilatarse tanto que estalla.

56 NGSPCE5

Diagrama del corazón y la válvula aórtica


Arterias hacia la cabeza y los brazos

Vena del cuerpo

Vena de la cabeza

Arteria pulmonar

Aurícula derecha

Ventrículo derecho

Aorta

Arteria pulmonar

Aurícula izquierda

Ventrículo izquierdo

Venas pulmonares

VÁLVULA AÓRTICA

Cerrada

Abierta

Aorta al cuerpo


28 BIOINGENIERÍA

Parte B: Diseña la válvula cardíaca57

2. Lee los siguientes criterios y restricciones de diseño para el modelo de válvula cardíaca artificial. Como clase, aclaren o agreguen cualquier criterio o restricción relevante al desafío del diseño.



• Debe permitir que el fluido pase rápidamente en una dirección.

• No debe permitir que pasen más de 30 ml de líquido cada 10 segundos en la otra dirección.

Restricción de diseño

El diseño está limitado al uso de solo los materiales proporcionados.

3. Sigue el proceso de diseño de ingeniería descrito en la introducción para diseñar la válvula cardíaca. Recuerda lo siguiente:

• Anota todas tus ideas, diagramas de diseño y resultados de pruebas en tu cuaderno de ciencias. Etiqueta tus notas con el nombre del paso de diseño apropiado.

• Usa los materiales que tu maestro te brinda inicialmente para construir dos prototipos diferentes de válvulas (prototipos 1 y 2) que crees que cumplirán con los criterios.

• Después de construir los prototipos 1 y 2, prueba tus diseños. Anota tus resultados y analiza con tu compañero cómo podrían mejorar los diseños de sus prototipos. Identifica qué variable debe cambiarse y cuál debe controlarse o modificarse.

• Diseña y construye el prototipo 3 como una mejora de los prototipos 1 y 2.

• Repite el proceso para construir el prototipo 4 como una mejora del prototipo 3. 585960616263646566

57 NGSPAQ158 NGPED1359 NGED1B160 NGED1B261 NGED1B362 NGSPDM363 SEASEN164 NGED1C165 NGED1C266 NGSPAD1

VÁLVULA CARDÍACA ARTIFICIAL ACTIVIDAD 5

BIOINGENIERÍA 29

Parte C: Comparte tu diseño

4. Comparte tu mejor diseño con la clase.67

5. Como clase, evalúen los diseños mediante la Hoja para el estudiante 5.1, “Evaluación de diseños”. Agrega columnas para los criterios que identificaste en los pasos 2 y 3 del procedimiento. Establece un método de calificación para cada criterio.

6. Compara los diseños completando la tabla. 686970

7. Identifica las fortalezas y debilidades del diseño de cada grupo.

ANÁLISIS 1. a. ¿Cuál de los diseños de la clase cumplió mejor con los requisitos

de diseño?7172

b. ¿Cuál de los diseños de la clase fue el más prometedor en convertirse en una válvula artificial? Explica tu razonamiento.

2. ¿Qué otros requisitos de diseño serían necesarios para que se use una válvula en un paciente?

3. ¿De qué manera contribuyó a tu diseño final el proceso de hacer cuatro prototipos diferentes?

4. Compara el proceso que tú y tu grupo utilizaron para este proyecto con:

a. el proceso que usaste en la actividad anterior, “Modelo de hueso artificial”;

b. el proceso de diseño y realización de experimentos científicos.

5. Hay dos tipos principales de válvulas cardíacas artificiales en el mercado. La primera es una válvula mecánica hecha de titanio y carbono, y la segunda es una válvula bioprotésica hecha de tejido de válvula animal (como cerdo o vaca). Lee los resúmenes de la página siguiente para cada uno de estos dispositivos. Si el costo fuera aproximadamente el mismo, ¿qué dispositivo es más apropiado para...

a. ...un abuelo sano?

b. ...una persona joven?

67 ELSL08468 NGED1B169 NGED1B270 NGSPEA371 NGPED1372 NGSPEA3

30 BIOINGENIERÍA

Explica qué evidencia consideras que es la más importante, y qué ventajas y desventajas estás dispuesto a aceptar.

Válvula mecánica: Estas válvulas son muy duraderas: pueden durar entre 20 y 25 años. El dispositivo tiene una alta tasa de coagulación a su alrededor, por lo que el paciente debe tomar medicamentos anticoagulantes. Estos medicamentos pueden ser difíciles de administrar correctamente y tienen algunos efectos secundarios negativos, incluido un sangrado excesivo, que debe controlarse cuidadosamente. El riesgo de un incidente de sangrado es cuatro veces mayor que con la válvula bioprotésica.

Válvula bioprotésica: Estas válvulas duran entre 10 y 15 años, funcionan muy bien y son biocompatibles con el cuerpo. El receptor no tiene que tomar medicamentos anticoagulantes y, por lo tanto, existe un menor riesgo de sangrado. Sin embargo, las válvulas bioprotésicas pueden comenzar a degradarse cinco años después de la implantación. Esto significa que es más probable que un paciente con una válvula bioprotésica sea sometido a una o más nuevas operaciones en comparación con un paciente equipado con una válvula mecánica. Cada reemplazo aumenta el riesgo de complicaciones y muerte.7374

6. ¿Por qué una persona que tiene una válvula cardíaca débil no podría recibir un reemplazo de su válvula?75

73 SEASET174 NGCCSF275 NGCCCO2

Una válvula cardíaca mecánica (izquierda) está hecha de metal y plástico. Por el contrario, una válvula cardíaca bioprotésica (derecha) generalmente se hace a partir del tejido de un cerdo o una vaca.


BIOINGENIERÍA 31

6 El trabajo de un ingenierol e c t u r a

La ciencia y la ingeniería están estrechamente relacionadas y dependen unas de otras, pero también tienen características distintivas. Así

como hay muchos tipos de ciencia, también hay muchos tipos de campos de ingeniería. Estos incluyen ingeniería informática, ingeniería eléctrica, ingeniería química, ingeniería mecánica e ingeniería nuclear. Los ingenieros a menudo utilizan inventos y sistemas tecnológicos cuando diseñan soluciones a problemas. Las soluciones de ingeniería pueden ser desarrolladas por ingenieros, inventores, científicos, médicos o personas de otros campos que intentan resolver problemas.76

76 NGCCCO1

Estos estudiantes de secundaria están utilizando herramientas e ideas para diseñar un nuevo dispositivo.

ACTIVIDAD 6 EL TRABAJO DE UN INGENIERO

PREGUNTA ORIENTADORA ¿Cómo se relacionan la ciencia, la ingeniería y la tecnología?


1 Hoja para el estudiante 6.1, “Guía de anticipación: El trabajo de un ingeniero”77

LECTURA Usa la Hoja para el estudiante 6.1, “Guía de anticipación: El trabajo de un ingeniero” para que te guíe a medida que completas la siguiente lectura.787980

Ciencia, ingeniería y tecnología8182

Como se mencionó anteriormente en esta unidad, un científico persigue la comprensión del mundo natural mediante el uso de evidencia para responder preguntas. Un ingeniero utiliza la ciencia y la tecnología para construir productos o sistemas que ayudan a resolver problemas prácticos. Los objetivos de los científicos e ingenieros a menudo se superponen. Algunas veces, los ingenieros investigan y aplican ideas científicas, y otras veces los científicos hacen herramientas para reunir evidencia. Existe un rango de trabajo desde la ciencia pura hasta la ingeniería pura. Tanto los científicos como los ingenieros utilizan la tecnología, incluidos inventos y procesos, para realizar una amplia variedad de actividades. La tecnología es cualquier producto o proceso realizado por ingenieros y científicos.

A veces, un nuevo descubrimiento científico puede llevar a una explosión de nuevos inventos. Por ejemplo, los científicos que investigan la diabetes descubrieron que las personas con diabetes suelen tener niveles más altos de azúcar en sangre y orina. Por ello, los ingenieros biomédicos diseñaron análisis de orina precisos y económicos para que los diabéticos los usen en casa. Del mismo modo, los éxitos de la ingeniería pueden llevar a descubrimientos científicos emocionantes. Por ejemplo, la invención del microscopio electrónico permitió a los científicos ver más detalles sobre la estructura y el funcionamiento de las células. Este ciclo veloz o “bola de nieve” de invención (ingeniería) y descubrimiento (ciencia) puede conducir a un rápido avance de un campo de estudio y nuevas soluciones a los problemas.

77 SELTTL178 SELTAG179 ELRS68280 ELRS68181 NGED1A182 NGSPAQ2

Ferolyn Powell (1962–2015) fue ingeniera biomédica y directora general de Evalve, una empresa de dispositivos médicos. Desarrolló una tecnología innovadora que repara problemas en las válvulas cardíacas sin necesidad de una cirugía a corazón abierto.

32 BIOINGENIERÍA

EL TRABAJO DE UN INGENIERO ACTIVIDAD 6

BIOINGENIERÍA 33

En el caso del desarrollo más reciente de un páncreas artificial, los científicos e ingenieros biomédicos trabajaron juntos para crear un producto que ayudará a muchos pacientes. La siguiente tabla muestra algunos ejemplos de ciencia y tecnología asociadas.

DESCUBRIMIENTO CIENTÍFICOTECNOLOGÍA DISEÑADA POR UN INGENIERO

Las personas con diabetes tienen un nivel alto de azúcar en sangre.

Pruebas de orina en casa.

Las células están formadas por estructuras más pequeñas.

Microscopios electrónicos.

Algunas enfermedades se transmiten de padres a hijos.

Prueba genética.

Tanto los científicos como los ingenieros a menudo utilizan la tecnología informática para crear modelos y desarrollar nuevos productos y procesos. A veces, la ingeniería informática o el modelado son el trabajo completo de un científico o ingeniero. Un científico o ingeniero informático trabaja para diseñar computadoras y sistemas informáticos, y para desarrollar programas, interfaces y modelos de sistemas.

El uso común de la tecnología en la ingeniería, en la ciencia y en nuestra vida cotidiana ha planteado un desafío a la ingeniería: el impacto ambiental de la fabricación, el funcionamiento y la eliminación de los productos tecnológicos. Por ejemplo, cada nueva generación de procesadores informáticos aumenta la velocidad de manera significativa, lo que hace que muchos consumidores desechen sus computadoras y teléfonos antiguos cuando se lanzan nuevos modelos. Esto crea dos problemas. En primer lugar, la fabricación de nuevos dispositivos consume una gran cantidad de energía, lo que repercute negativamente en los recursos energéticos. En segundo lugar, dado que las computadoras y los teléfonos contienen sustancias químicas tóxicas, incluidos los materiales en las baterías, su eliminación segura es un problema. Para ayudar a resolver estos problemas, los ingenieros están empezando a diseñar dispositivos que consumen menos energía, tienen menos y menores niveles de químicos tóxicos, e incorporan productos reciclados. Algunas compañías han comenzado a abordar formas de reducir el impacto ambiental al mismo tiempo que producen productos eficaces y rentables. Aun así, queda mucho por hacer para reducir el impacto ambiental de la tecnología.83

El proceso de diseño de ingeniería84

El proceso de diseño de ingeniería introducido en esta unidad sugiere que hay un orden en los pasos utilizados para diseñar un producto a fin de resolver un problema. Sin embargo, el proceso de diseño real puede

83 NGCCCO384 NGCCNS1


34 BIOINGENIERÍA

ser más complicado. Encontrar soluciones a menudo implica pensar en una dirección, luego ajustar y comenzar de nuevo para encontrar una mejor dirección. Es una experiencia creativa y, a veces, frustrante. El resultado no está claro desde el principio, y las fallas son algo común. Diseñar una solución viable para un problema depende de las personas afectadas y del contexto. Los resultados del mismo desafío de ingeniería en diferentes momentos y con diferentes personas producirán resultados diferentes. Por ejemplo, si dos grupos investigan la pregunta científica “¿Cuál es el punto de ebullición del agua a nivel del mar?”, pueden crear dos experimentos diferentes para medir el agua. Sin embargo, ambos grupos obtendrán la misma respuesta a su pregunta científica. En comparación, si a dos grupos se les presenta el desafío de ingeniería de diseñar un automóvil para una familia de cuatro miembros, es probable que presenten dos diseños diferentes que cumplan con los criterios.

Una vez que un individuo o un grupo presenta un diseño, con frecuencia, solicitan una patente. Una patente es un conjunto de derechos exclusivos otorgados por el gobierno federal al inventor del dispositivo, de la sustancia o del proceso. Incluye el derecho de impedir que otros usen, fabriquen o vendan la invención sin permiso. Una patente proporciona protección a los inventores para que tengan la oportunidad de beneficiarse de su trabajo. A cambio de la protección de la patente, el solicitante debe proporcionar al público una descripción detallada de la invención. Una patente suele durar 20 años. Si bien no forman parte del proceso de diseño de ingeniería, las patentes son una consideración importante cuando se invierte en nuevas tecnologías.

Del moho al medicamento85

El desarrollo del antibiótico penicilina muestra cómo el descubrimiento científico y el proceso de ingeniería a menudo se relacionan. Poco antes de la Primera Guerra Mundial, Alexander Fleming trabajó en un laboratorio de Londres. Fleming fue un científico que investigaba las bacterias. Si bien se lo consideraba inteligente y creativo, también era conocido por su laboratorio desordenado. En 1928, se fue de vacaciones sin haber limpiado el laboratorio. Cuando volvió, notó algo interesante. Un moho inusual había crecido en una de sus placas de Petri manchada de bacterias. Este moho, llamado Penicillium notatum, había matado a las bacterias de la placa. Fleming reconoció que el moho producía una sustancia que podría usarse para tratar infecciones bacterianas.

85 NGCCNS1

El moho Penicillium notatum crece en una placa de Petri.


BIOINGENIERÍA 35

Publicó un estudio sobre el moho, pero recibió poca atención. Él y otros científicos intentaron usar la tecnología disponible para extraer del moho la sustancia que mata a las bacterias, pero fallaron una y otra vez. Fleming y sus colegas se dieron por vencidos.

La historia de la penicilina podría haber terminado allí. Sin embargo, Howard Florey, Ernst Chain y sus colegas de la Universidad de Oxford resolvieron el problema de ingeniería biomédica 10 años después. Si no fuera por Florey y su equipo, el descubrimiento de Fleming podría haber sido una rareza desconocida. En cambio, el descubrimiento condujo a la producción de penicilina, posiblemente la droga más importante de los tiempos modernos. Cuando Florey, Chain y sus colegas comenzaron el proceso de producción de drogas en 1939, los suministros de laboratorio eran escasos debido a la Segunda Guerra Mundial. Tenían que ser creativos para encontrar recipientes para sembrar cultivos. Al principio usaban bañeras, bacinillas, lecheras y latas de comida. Finalmente, diseñaron y construyeron un recipiente especial para cultivar la mezcla de moho necesaria para producir la penicilina.

Dos años después, la droga estaba lista para los ensayos. Después de ser probada en ratas, la penicilina se administró al primer sujeto de prueba en humanos. Aunque el grupo de Florey tenía una droga que funcionaba en 1941, no pudieron hacer mucho. Florey enfrentó el enorme problema de hacer lo suficiente para tratar a los muchos soldados heridos con infecciones. Para ello, el grupo de Florey se unió a ingenieros de manufactura estadounidenses que pudieron descubrir cómo producir el medicamento a gran escala a pesar de la dificultad de fabricarlo en condiciones de guerra. Con mucho esfuerzo e ingenio, las empresas estadounidenses crearon con éxito un amplio suministro de penicilina a tiempo para la invasión de Normandía en 1944. Se ha estimado que, desde su introducción, la penicilina ha salvado 200 millones de vidas.

Los ingenieros, al igual que los ingenieros biomédicos que podían hacer que la penicilina estuviera disponible cuando era más necesaria, tenían habilidades específicas para hacer el trabajo. Debían conocer los campos

Alrededor de 1944, un trabajador prepara una bandeja que contiene viales de solución de penicilina congelada.


36 BIOINGENIERÍA

científicos relacionados, comprender la tecnología disponible y trabajar con otros a fin de aportar ideas para el desarrollo y las pruebas. Uno puede imaginar que el impacto de desarrollar una solución para salvar vidas fue gratificante para los científicos e ingenieros involucrados.

Ingeniería y sociedad8687

Si bien la investigación científica dio lugar al descubrimiento de la penicilina, la curiosidad científica no impulsó la producción de grandes cantidades de un medicamento utilizable. Esa fue una respuesta directa a la desesperada necesidad de tratamiento para los soldados heridos que sufrían infecciones. Este problema de importancia crítica motivó a las personas a inventar formas de producir grandes cantidades de penicilina.

A veces, el éxito de una tecnología depende de factores distintos a la efectividad de la solución en sí. Por ejemplo, aunque la tecnología efectiva para filtrar y limpiar el agua ha existido durante muchos años, hacer que esta tecnología llegue a todos en el planeta ha sido un desafío. Más de 600 millones de personas en el mundo aún no tienen acceso a agua potable. El 80% de las personas que no tienen agua potable vive en zonas rurales. Este problema es el resultado de desafíos económicos, sociales, políticos y geográficos. La solución a algunos problemas, como proporcionar agua potable y saneamiento a personas sin acceso, requiere más que solo tecnología. Una solución tecnológica solo es efectiva cuando se puede entregar a las personas que la necesitan a un costo razonable.

A veces, la creación de nueva tecnología alimenta un nuevo deseo. Por ejemplo, las pruebas genéticas son una innovación biomédica con un gran potencial para ayudar a diagnosticar y tratar enfermedades. Las pruebas genéticas pueden identificar cambios en genes y cromosomas. Pueden usarse para diagnosticar ciertas afecciones genéticas o para estimar la probabilidad de desarrollar ciertas afecciones de salud durante la vida de una persona. Sin embargo, aún no se conoce el posible impacto de muchos cambios genéticos que pueden identificarse a través de la secuenciación.

86 NGCCNS387 NGCCCO2

Los médicos y pacientes necesitan considerar cuidadosamente la información que los nuevos exámenes médicos proporcionan y no proporcionan.


BIOINGENIERÍA 37

Estas pruebas crean un dilema ético para médicos y pacientes. Para las personas que no tienen síntomas en la actualidad, la prueba puede mostrar que alguien está en mayor riesgo de padecer una afección, por ejemplo, una enfermedad cardíaca, la enfermedad de Parkinson o un futuro cáncer de mama. ¿Cómo podría afectar esta información a un adulto joven y saludable? A muchas personas les preocupa que este tipo de información sobre el futuro pueda ser perjudicial para el paciente o que otros la usen indebidamente. Aunque la tecnología para estas pruebas existe, aún no está claro cuándo y cómo utilizarla mejor.

ANÁLISIS 1. Compara y contrasta el trabajo de un científico y un ingeniero.8889

2. ¿Crees que el dicho “más rápido, mejor, más barato” se refiere más al trabajo de un científico o de un ingeniero? Explica tu respuesta.

3. ¿Cómo se compara la información de esta lectura con lo que aprendiste en las actividades anteriores sobre ingeniería? 90

4. Imagina que pudieras decidir cuánto dinero aportará una universidad para la investigación científica y cuánto aportará para el desarrollo de la tecnología. La universidad está considerando dos propuestas. Una propuesta proporcionaría el 80% de los fondos para investigación científica y el 20% para desarrollo tecnológico. La otra propuesta proporcionaría el 20% para investigación científica y el 80% para desarrollo tecnológico.

Explica si financiarías una de estas dos propuestas o si harías otra propuesta. Si deseas hacer otra propuesta, asegúrate de describirla. Luego, explica qué factores influyeron en tu decisión e identifica las ventajas y desventajas de tu elección.

Sugerencia: Para escribir una respuesta completa, primero manifiesta tu opinión. Proporciona dos o más pruebas que respalden tu opinión. Luego, considera todos los aspectos del problema e identifica las ventajas y desventajas de tu decisión. 9192

5. Reflexión: ¿Prefieres ser un científico, un ingeniero o una combinación de ambos? Explica tu elección.

88 ELRS68189 ELRS68290 ELRS68991 SEASET192 SELTWF3


38 BIOINGENIERÍA

EXTENSIÓN

Investiga a otras personas que trabajen en un campo científico o tecnológico de tu elección. Decide si describirías a cada persona como científico, ingeniero o una combinación de ambos.9394

93 ELRS68994 ELWH689

BIOINGENIERÍA 39

7 Barrita nutritivai n v e s t i g a c i ó n

Quienes trabaJan en problemas médicos y de salud utilizan un enfoque de ingeniería para diseñar nuevos medicamentos y

productos que puedan cumplir ciertas funciones. A veces, los desafíos de ingeniería aparecen en lugares inesperados, como en la industria alimentaria. Al igual que con todos los problemas de ingeniería biomédica, los productos alimenticios deben diseñarse dentro de las limitaciones, como el tamaño del producto, su costo y cómo afectaría a los sistemas corporales. En esta actividad, analizarás la información nutricional de las barritas energéticas. Luego, la compararás con las necesidades nutricionales particulares de las personas con afecciones médicas específicas. 959697

PREGUNTA ORIENTADORA ¿Puedes diseñar una barrita nutritiva para satisfacer las necesidades de las personas con afecciones médicas específicas?

95 NGED1B296 NGCCCO197 NGCCCO2

Las barritas nutritivas varían en sabor y valor nutricional.

ACTIVIDAD 7 BARRITA NUTRITIVA

40 BIOINGENIERÍA


1 Hoja para el estudiante 7.1a-d, “Cálculos de la barrita nutritiva”

1 Hoja para el estudiante 7.2, “Diseño de una barrita nutritiva”

1 calculadora

PROCEDIMIENTOParte A: Información general

1. Completa la siguiente lectura breve sobre las necesidades energéticas básicas del cuerpo humano.98

Necesidades calóricas Los humanos consumen (o “queman”) energía todo el tiempo, incluso

cuando están sentados o durmiendo. La unidad para medir la energía de los alimentos es la kilocaloría. La cantidad de kilocalorías que necesita el cuerpo varía según la actividad. Por ejemplo, sentarse en una silla durante 30 minutos consume hasta 30 kilocalorías, mientras que correr 5 km puede consumir hasta 300 kilocalorías. La Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA, por sus siglas en inglés) de Estados Unidos recomienda que la mayoría de las personas mayores de cuatro años consuman aproximadamente 2,000 kilocalorías por día. ¿Cuántas kilocalorías necesitas tú para satisfacer tus necesidades energéticas? Considera la ecuación de energía que se muestra a continuación.

98 NGLS1C2

2,000 Calories output 2,000 Calories intake No change in body mass

1,500 Calories output 2,000 Calories intake Increase in body mass

2,500 Calories output 2,000 Calories intake Decrease in body mass

La ecuación de energía

BARRITA NUTRITIVA ACTIVIDAD 7

BIOINGENIERÍA 41

Muestra que la masa corporal aumenta cuando ingresa más energía en el sistema de la que sale. La masa corporal disminuye cuando sale más energía del sistema de la que ingresa. No hay cambio en la masa corporal cuando la entrada y la salida de energía están equilibradas.

2. Lee la siguiente información sobre la función de los alimentos en nuestros cuerpos.

Energía alimentaria Los alimentos están compuestos principalmente de carbohidratos, grasas

y proteínas. Los carbohidratos proporcionan al cuerpo energía rápida. Las grasas, por su parte, aportan energía más lentamente porque tardan más en descomponerse en energía utilizable. Las proteínas se utilizan para la formación de tejidos, como músculos y huesos. Cuando no hay carbohidratos disponibles, las proteínas también pueden quemarse para obtener energía en lugar de usarse para la formación de tejidos.

La comida también proporciona otros nutrientes esenciales, como vitaminas, minerales y electrolitos. Estos nutrientes cumplen cientos de funciones en tu cuerpo, como ayudar a convertir los alimentos en energía, mantener el sistema inmunológico funcionando sin problemas y apoyar la curación de enfermedades o lesiones.

Algunas afecciones médicas están asociadas con ciertas opciones dietéticas. Por ejemplo, los alimentos con alto contenido de sodio y altas kilocalorías pueden aumentar el riesgo de presión arterial alta. Las personas con presión arterial alta pueden elegir alimentos con bajo contenido de sodio y kilocalorías. Por otro lado, una persona con fibrosis quística puede elegir alimentos que tengan más kilocalorías que el promedio para alimentar un sistema inmunológico que está trabajando intensamente para combatir infecciones pulmonares.

Parte B: Análisis de las barritas nutritivas

3. Lee los criterios y las restricciones de la barrita nutritiva que se describen a continuación. Debate con tu clase si desean incorporar algún criterio o restricción adicionales para este desafío.99



• Satisfacer las necesidades nutricionales específicas de cada afección.

• No ser tan grande como para sustituir una comida.

• Ser comestible.


El diseño se limita a las barritas proporcionadas en la actividad.

99 NGED1B1

ACTIVIDAD 7 BARRITA NUTRITIVA

4. Completa la Hoja para el estudiante 7.1a-d, “Cálculos de la barrita nutritiva”.100101

5. Compara los resultados de los cálculos del paso anterior con la tarjeta de perfil que te entregó tu maestro. Compara las necesidades específicas de cada perfil. Haz coincidir tu perfil con un conjunto de cálculos de la Hoja para el estudiante 7.1a-d, “Cálculos de la barrita nutritiva”.102

6. Comparte la coincidencia que tuviste con tu clase y explica qué datos te ayudaron a lograrla.103104

7. Diseña una barrita nutritiva para un paciente con una enfermedad renal que lleve una dieta con bajo contenido de proteínas y sodio. Usa la Hoja para el estudiante 7.2, “Diseño de una barrita nutritiva” para crear un prototipo de barrita.105106107

ANÁLISIS 1. ¿Cómo es el diseño de un producto, como la barrita

nutritiva, una tarea de ingeniería?

2. ¿Cuál de las barritas nutritivas sería mejor para una persona que desea tener una alta proporción de proteínas y grasas? Determina las proporciones y utilízalas para hacer una comparación sistemática.108

3. ¿Fue más fácil mirar los ingredientes de la barrita nutritiva en gramos o en kilocalorías? Explica tu elección.109

4. Henry, un atlético estudiante de décimo grado que pesa 75 kg (165 libras), come un barrita nutritiva que contiene 200 kilocalorías. Luego juega al fútbol durante 30 minutos. Usa la tabla de la derecha para determinar si ha cumplido con sus necesidades de energía para el fútbol al consumir la barrita. Escribe una ecuación de energía para mostrar si tus necesidades de energía se cumplieron en términos de equilibrio entre alimentos (entrada de energía) y ejercicio (salida de energía). 110111112113

5. En los Estados Unidos, los alimentos poco saludables cuestan relativamente menos que los alimentos saludables. Además, los alimentos “basura” generan más beneficios para el fabricante en comparación con la venta de alimentos no procesados. Llevada al extremo, la diferencia en el costo de comprar alimentos saludables frente a alimentos no saludables para una persona por día es de aproximadamente $1.50. Esto asciende a $550 por año para una persona.

100 MAMP681101 MAEE7B3102 NGSPEA3103 SEASAR1104 NGPED12105 NGSPCE5106 NGSPUM1107 NGED1A1108 NGSPUM1109 MAMP681110 NGSPUM1111 MAMP681112 MAEE7B3113 NGSPCE5

ACTIVIDAD CALORÍAS

Jugar baloncesto 7

Hacer ciclismo (12–14 mph)

7

Bailar (rápido) 5

Jugar fútbol 7–8

Hacer gimnasia 4

Patinar 6

Correr (6 mph) 9

Permanecer sentado (en clase)

2

Andar en skate 4

Dormir 1

Jugar fútbol americano

6

Jugar sóftbol 4

Estar parado 1

Dar vueltas de natación

9

Jugar tenis 6

Caminar (4 mph) 4

Ver televisión 1

Cantidad aproximada de calorías consumidas durante 1 minuto de actividad por una persona de 110 libras

Kilocalorías que se queman

42 BIOINGENIERÍA

BARRITA NUTRITIVA ACTIVIDAD 7

BIOINGENIERÍA 43

a. ¿Cuáles crees que son las consecuencias de este costo adicional para nuestra sociedad?

b. ¿Qué crees que podría hacerse con respecto a esta inequidad?114115116

EXTENSIÓN 1Crea tu prototipo de barrita nutritiva en casa para probar el sabor. Usa una calculadora en línea para convertir gramos a cantidades de cocción, como cucharadas y tazas. Después de probar tu barrita, ajusta tu receta y crea un segundo prototipo para traer a la escuela. Escribe la receta con cantidades e instrucciones para compartir con otros.

SEGURIDADNunca pruebes los materiales ni comas ni bebas en la clase de ciencias, a menos que tu maestro te indique específicamente que lo hagas. Asegúrate de que tu área de trabajo esté limpia y libre de cualquier material que no sea necesario para esta actividad. Si eres alérgico al maní o productos lácteos, o si tienes algún otro problema de salud que limite lo que comes, por ejemplo, diabetes, infórmaselo a tu maestro y no pruebes las barritas nutritivas de esta Extensión. Lávate las manos antes y después de preparar las barritas nutritivas, y usa solo platos y utensilios aptos para uso alimenticio. No contamines los alimentos lamiendo tus dedos o los utensilios.

EXTENSIÓN 2Busca los valores diarios (VD)recomendados de los componentes de los alimentos y compáralos con lo que comes en un día normal. ¿Cumples con las recomendaciones para nutrientes? ¿Tu distribución de grasas, proteínas y carbohidratos es similar a la recomendada?

114 NGCCCO3115 NGSPUM1116 NGCCCO2

Vertical estándar

10%

5%

0%

7%

13%

14%

10%20%45%

6%

20%

160 mg

8 g

Información nutricional

Calorías 230Cantidad por porción

Grasas totales

Grasas saturadas 1 g Grasas trans 0 gColesterol 0 mgSodio

Carbohidratos totales 37 g Fibra dietética 4 g Azúcares totales 12 g Incluye 10 g de azúcares añadidosProteínas 3 g

Vitamina D 2 mcgCalcio 260 mg Hierro 8 mg Potasio 235 mg

% valor diario*

El porcentaje de valor diario (VD) le indica en qué proporción el nutriente de una porción de alimentos contribuye a una dieta diaria. Se utilizan 2,000 calorías al día para brindar asesoramiento de nutrición general.

*

8 porciones por envaseTamaño de la porción 2/3 taza (55 g)

1

Los alimentos que se venden en los Estados Unidos deben tener etiquetas que incluyan el contenido de nutrientes.

Bueno 4

Aceptable 3

Comestible 2

Horrible 1

Escala de sabor

BIOINGENIERÍA 45

8 Investigación de la biomecánical a b o r at o r i o

Aunque los ingenieros siguen ciertos pasos para diseñar dispositivos, pueden encontrar inspiración para soluciones

creativas en una variedad de lugares. Una forma en la que los bioingenieros abordan los problemas es observar las estructuras de la naturaleza que realizan la función que están tratando de diseñar. El biomimetismo es un campo de ingeniería dedicado a imitar o copiar los movimientos o estructuras biológicas de los organismos vivos. Es un enfoque de innovación que imita los patrones y estrategias de la naturaleza. La evolución de los animales, las plantas y los microbios a lo largo de miles de millones de años proporciona soluciones inspiradoras para una variedad de problemas en la naturaleza para especies de todo tipo, como el movimiento, la protección y el uso de la energía.

En esta actividad, verás la estructura y función de un ala de pollo al diseccionarla. Al estudiar la biomecánica del ala, estarás mejor preparado en la próxima actividad para diseñar un brazo artificial que funcione de manera similar.117118

PREGUNTA ORIENTADORA ¿Cómo afecta la estructura de un brazo o ala a su función?119

117 NGCCSF2118 NGED1A1119 NGCCSF2

El estudio de la estructura y función del ala de un pájaro (izquierda) ayudó a los ingenieros a diseñar los primeros aviones. El brazo humano (derecha) inspiró el desarrollo de las prótesis.

ACTIVIDAD 8 INVESTIGACIÓN DE LA BIOMECÁNICA

46 BIOINGENIERÍA

MATERIALESPara cada par de estudiantes

1 ala de pollo (crudo)

1 tijera de disección mediana o grande, puntiaguda

2 pinzas

1 bandeja de disección

1 palillo

1 lupa

toallas de papel

SEGURIDADSolo una persona puede diseccionar a la vez, tomen turnos. Mantén tus dedos alejados del recorrido de los implementos afilados. No comas ni bebas en clase. Ten mucho cuidado de no tocarte la boca, la nariz o los ojos cuando estés trabajando en la disección. Lávate bien las manos con agua caliente y jabón después de completar la disección.

PROCEDIMIENTOParte A: Comparación del ala de pollo con el brazo humano120

1. Localiza las siguientes estructuras en tu brazo:

120 NGLS1A3

Huesos de la extremidad superior de un ave

Huesos de la extremidad superior de un humano

articulación del hombro

articulación del codo

articulación de la muñeca

dos huesos del antebrazo

un hueso de la parte superior del brazo

pulgar

huesos de los dedos

INVESTIGACIÓN DE LA BIOMECÁNICA ACTIVIDAD 8

BIOINGENIERÍA 47

2. Examina el ala de pollo entera.

3. Sin cortarla aún, siente el ala. Usa tus dedos para encontrar estructuras en el ala de pollo similares a las estructuras del brazo humano enumeradas en el paso 1.

Parte B: Disección121

4. Gira el ala para que el interior quede hacia arriba. Usa las pinzas para tomar la piel y haz un pequeño corte con las tijeras, como se muestra a continuación en el paso A.

5. Como se muestra en el paso B, inserta una hoja de la tijera en el corte para que quede paralela a los huesos. Ten cuidado de no cortar el músculo debajo de la piel.

6. Como se muestra en el paso C, corta la piel y retírala del músculo con las pinzas y las tijeras para ayudarte. Expón las dos articulaciones principales del ala de pollo. Observa los tendones, los vasos sanguíneos y el músculo. Los tendones son las tiras brillantes de tejido que conectan los músculos con los huesos.

121 NGSPNS1

Paso B: insertar las tijeras. Inserta la punta de las tijeras en el pequeño corte.

Paso C: cortar la piel. Corta la piel a lo largo del hueso sin cortar el músculo.

Paso A: hacer un corte. Haz un pequeño corte en la piel.

ACTIVIDAD 8 INVESTIGACIÓN DE LA BIOMECÁNICA

48 BIOINGENIERÍA

7. Usa las pinzas para tirar de los tendones individualmente. Cuando los músculos se contraen, tiran de los tendones, así que cuando tiras de un tendón, estás representando la acción de un músculo del ala (pasos D y E).

Trata de hacer que una parte del ala de pollo se agite hacia adelante y hacia atrás tirando de los tendones unidos a dos músculos opuestos.

8. Corta los músculos hasta que uno de los huesos inferiores del ala de pollo esté claramente visible.

9. Dobla el hueso con los dedos hasta que se rompa. Anota cuán resistente fue el hueso a doblarse.

10. Examina el interior del hueso de pollo. Usa un palillo para explorar la textura del centro del hueso, que es la ubicación de la médula.

11. Coloca el ala de pollo en la bandeja para que puedas ver todas las estructuras.

12. Lávate bien las manos con agua caliente y jabón. No toques el pollo después de lavarte las manos.

13. En tu cuaderno de ciencias, dibuja un diagrama etiquetado del ala de pollo. Incluye los tendones y las estructuras que localizaste en el paso 6.

14. En tu cuaderno, describe lo que tuviste que hacer para que el ala se mueva en direcciones opuestas. Anota tus observaciones del interior del hueso de pollo.122123

122 NGSPDM1123 NGCCNS2

Paso D: tirar del tendón. Usa las pinzas para tirar del tendón.

Paso E: mover el ala de pollo. Observa la “mano” del pollo moviéndose hacia el “brazo” inferior.

INVESTIGACIÓN DE LA BIOMECÁNICA ACTIVIDAD 8

BIOINGENIERÍA 49

15. Sigue las instrucciones de tu maestro para desechar el ala de pollo y para la limpieza final. Lávate las manos cuando hayas terminado.

ANÁLISIS124

1. ¿En qué se parecen los brazos humanos y las alas de pollo? ¿En qué se diferencian?125

2. ¿Qué evidencia encontraste que ayudaría a explicar cómo las aves mueven partes de sus alas de un lado a otro? Dibuja un diagrama que muestre músculos y tendones para ayudar a explicar tu respuesta. 126127

3. Describe cómo la estructura de los huesos de las aves permite que sean livianos y fuertes.128

4. Ahora que conoces las estructuras internas de los huesos de las aves, ¿cambiarías tu prototipo de hueso de la actividad “Modelo de hueso artificial”? Si es así, describe cómo y por qué. En caso contrario, explica por qué no.

124 NGED1B4125 NGSPNS1126 SEASMD1127 NGSPDM1128 NGCCSF2

BIOINGENIERÍA 51

9 Sujetar objetosd i s e ñ o

El biomimetismo ha inspirado una gran cantidad de herramientas tecnológicas que funcionan como brazos y manos. Por ejemplo,

los brazos robóticos pueden trabajar con materiales peligrosos o en entornos remotos, tales como el manejo de materiales radioactivos o la recolección de muestras de las profundidades del océano o de otros planetas. Los brazos robóticos también son utilizados por los cirujanos de cerebro y corazón para operaciones muy delicadas. Lo más emocionante de este campo son los brazos robóticos que se utilizan en las nuevas técnicas laparoscópicas, en las que se realizan pequeñas incisiones para las principales operaciones, incluida la cirugía cardíaca. Probablemente puedas pensar en muchas otras formas en las que se podrían usar los brazos robóticos. La robótica es el campo de la ingeniería que construye máquinas que imitan, reemplazan o mejoran las estructuras humanas.

Tú eres un ingeniero mecánico y hoy, tu supervisor, el Dr. García, te ha dado la tarea de desarrollar una mano mecánica para agarrar y mover objetos pequeños. Él te dice que la mano modelo debe poder mover un objeto fuera de un área designada sin que el objeto toque el suelo. 129130

129 NGCCCO1130 NGCCCO2

Investigadores de la Universidad Simon Fraser de Canadá trabajaron con el paratleta Danny Letain (centro adelante) para construir una mejor mano biónica.

ACTIVIDAD 9 SUJETAR OBJETOS

52 BIOINGENIERÍA

PREGUNTA ORIENTADORA ¿Cómo se puede hacer un agarrador de objetos mecánico que pueda levantar y mover un objeto?


2 huevos de plástico

1 recipiente cilíndrico

50 monedas (1 rollo)

2 tijeras

4 fichas

4 reglas

pajillas

cinta variada

cuerda

PROCEDIMIENTO

Parte A: Diseño de dedo

1. Identifica tu dedo índice y tu falange intermedia, como se muestra en el diagrama a continuación. Mide el ancho y la longitud de tu dedo índice derecho en centímetros (cm). Luego, mide la longitud de la falange intermedia de tu dedo índice. Usa las siguientes instrucciones para construir un dedo mecánico.

a. Corta una tira de ficha del mismo ancho que tu dedo índice y 3 cm más larga que la longitud de tu dedo índice.

b. Corta cuatro pedazos de una pajilla, cada uno de la misma longitud que tu falange intermedia. Pega los pedazos de pajilla con un espaciado pequeño y aproximadamente igual a lo largo de la tira de ficha.

c. Corta un trozo de cuerda unos 3 cm más largo que tu tira de ficha.


Falange intermedia

SUJETAR OBJETOS ACTIVIDAD 9

BIOINGENIERÍA 53

d. Pasa la cuerda por los pedazos de pajilla y pega uno de los extremos de la cuerda al último pedazo de pajilla a través del cual está ensartada.

e. Tira suavemente del extremo de la cuerda sin cinta y observa el movimiento de tu dedo mecánico.

2. En tu grupo, prueba la utilidad de cada uno de tus dedos mecánicos tratando de agarrar el recipiente cilíndrico. Debate con tu grupo cómo tu dedo mecánico podría funcionar de manera diferente en los siguientes casos:

• si tuviera una longitud diferente.

• si tuviera un grosor diferente.

• si tuviera un número diferente de pedazos de pajilla.

• si tuviera pedazos de pajilla de diferentes longitudes.

Anota tus observaciones e ideas en tu cuaderno de ciencias.131132

Parte B: Diseño de agarrador

3. Lee los criterios y las restricciones para el agarrador que se describen a continuación. Debate cualquier criterio o restricción adicional con tu clase.133



• Debe ser capaz de retirar tanto un huevo de plástico como el recipiente cilíndrico del área de prueba, y de levantar cada objeto individualmente y sacándolo del área.

• Debe ser operado por una persona que sostiene el agarrador con una mano y usa la otra para activar el mecanismo.

131 NGED1B1132 NGED1C1133 NGED1A1


ACTIVIDAD 9 SUJETAR OBJETOS

54 BIOINGENIERÍA


El diseño se limita a la construcción con solo los materiales que te entregaron para esta actividad.

4. Debate con tu grupo cómo se podrían combinar tus dedos mecánicos para crear un agarrador mecánico. Para desarrollar esta solución, sigue el proceso de diseño de ingeniería. En tu cuaderno de ciencias, anota el trabajo de tu grupo para todos los pasos de tu proceso de diseño de ingeniería, incluidos los datos que recopiles durante las pruebas.134135136137138

5. Una vez que hayas desarrollado un agarrador mecánico dentro de los criterios y restricciones descritos en el paso 3, optimiza tu agarrador para una de las siguientes opciones.

Opción de optimización 1: Retira la mayor cantidad posible de huevos de plástico del área de

prueba en 60 segundos. (Haz que un miembro del grupo reemplace cada huevo del área después de haberlo retirado). 139140141142143144145

Opción de optimización 2: Levanta tanto peso como puedas. Usa las monedas como pesos y

llena el huevo o el cilindro con las monedas. Prueba tu agarrador agregando más y más monedas, de manera incremental, hasta que tu agarrador falle en recoger el objeto pesado.

134 NGSPCE2 135 NGSPDM3136 NGED1B4137 NGED1B2138 NGSPUM1139 NGSPAQ2140 NGSPCE3141 NGSPDM3142 NGED1B3143 NGED1C1144 NGED1C2145 NGCCSF2


60 cm (diámetro)

60 cm (diámetro)

El “área de prueba” para el agarrador mecánico

SUJETAR OBJETOS ACTIVIDAD 9

BIOINGENIERÍA 55

6. Presenta tu diseño optimizado a la clase: 146147

• Demuestra cómo tu diseño cumplió con los criterios iniciales.

• Explica cómo los datos de la prueba te ayudaron a optimizar tu solución.

• Explica cómo cada componente del diseño optimizado contribuye a su función.148

7. Con tu clase, debate el proceso de diseño.149

EXTENSIÓN Construye una estructura completa de codo a mano que pueda mover el cilindro fuera del área de prueba.

ANÁLISIS 1. ¿Cuáles fueron las partes más

gratificantes y frustrantes de tu proceso de diseño de ingeniería?

2. ¿Cómo tu nuevo diseño mejoró tu producto?

3. ¿Cuáles fueron las limitaciones de tu modelo de agarrador?

4. ¿Cuáles son algunos de los beneficios de diseñar tu brazo mecánico como grupo en comparación con el trabajo individual?

5. Thomas Edison, con la ayuda de quienes trabajaban en su laboratorio, inventó más de 1,000 dispositivos, incluida la cámara de cine, el telégrafo y el fonógrafo (tocadiscos). Una vez Edison dijo: “Lo que cuenta es lo que haces después de un fracaso”. ¿Qué quiso decir? Explica tu respuesta con un ejemplo de tu trabajo durante esta unidad.

6. ¿Cómo podría usarse tu diseño en una aplicación biomédica del mundo real? Describe un problema potencial y quién podría beneficiarse de él.

146 ELSL084147 SEASEN1148 NGCCSF2149 NGSPCE3




Diseñar

Construir



BIOINGENIERÍA 57

Ingeniería biomédicar e s u m e n d e l a u n i d a d

¿Qué es un ingeniero biomédico?

Mientras que un científico busca la comprensión del mundo natural mediante el uso de evidencia para responder preguntas, un ingeniero utiliza la ciencia y las herramientas para construir un producto que resuelve un problema práctico. Un ingeniero diseña, construye o mantiene motores, máquinas, estructuras o procesos para resolver problemas prácticos. Un ingeniero biomédico es un tipo específico de ingeniero que utiliza la tecnología, las matemáticas y el conocimiento de los sistemas biológicos para resolver problemas biológicos o médicos. Los ingenieros biomédicos diseñan, construyen y prueban dispositivos o procedimientos para ayudar a las personas. Los ejemplos de productos que los ingenieros biomédicos han desarrollado incluyen articulaciones artificiales, marcapasos y escáneres de imágenes por resonancia magnética (IRM), que toman imágenes de los tejidos blandos del cuerpo.

Proceso de diseño de ingeniería

El proceso de diseño de ingeniería consiste en una serie de pasos que todo tipo de ingenieros siguen para encontrar la solución a un problema. Muchas veces, la solución implica crear un producto, como una máquina o un programa de computadora, para completar una tarea determinada. A continuación, se muestra el diagrama de un proceso de diseño común sobre la izquierda.




Diseñar

Construir



Un proceso de diseño de ingeniería

RESUMEN DE LA UNIDAD

58 BIOINGENIERÍA

científico

compensación

criterios

ingeniero biomédico

ingeniero, ingeniería

modelo

optimizar

patente

proceso de diseño de ingeniería

prototipo

restricción

variable

El proceso de diseño de ingeniería no es lineal. La prueba, el nuevo diseño y el ciclo de nueva prueba conduce a la optimización del diseño. Cuando los ingenieros optimizan sus diseños, deben tener cuidado de controlar y probar las variables para mejorar el diseño. A menudo, los ingenieros crean modelos o prototipos de sus diseños como parte del proceso de diseño.

El trabajo de un ingeniero

El trabajo de los científicos e ingenieros a menudo se superpone. A veces, los ingenieros investigan fenómenos científicos y aplican ideas científicas, mientras que los científicos a veces hacen herramientas para reunir evidencia. Tanto los científicos como los ingenieros utilizan la tecnología, incluidos inventos y procesos, para realizar una amplia variedad de tareas. Los ingenieros dependen, en gran medida, de las computadoras y la tecnología para construir sistemas, modelos de sistemas, programas e interfaces. El trabajo de un ingeniero puede centrarse en una necesidad social, como los ingenieros que ayudaron a producir penicilina masivamente para los soldados infectados en la Primera Guerra Mundial o los ingenieros que desarrollaron válvulas cardíacas protésicas para los pacientes que padecen valvulopatía cardíaca.

Términos científicos esenciales

BIOINGENIERÍA 59

LA NATURALEZA DE LA CIENCIA Y LA INGENIERÍA

Si alguien te preguntara “¿Qué es la ciencia?”, ¿qué responderías?

Podrías responder que es el conocimiento de temas como biología, química, geología y física. Eso sería correcto solo en parte. Aunque la ciencia está ciertamente relacionada con la acumulación y el avance del conocimiento, es mucho más que eso. La ciencia es una forma de explorar y comprender el mundo natural.

Según la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS), dos de los aspectos más fundamentales de la ciencia se refieren a que el mundo es comprensible y que las ideas científicas están sujetas a cambios.

Los científicos creen que el mundo es comprensible porque las cosas suceden según patrones constantes que, eventualmente, podemos entender a través de un estudio cuidadoso. Se deben hacer observaciones y se deben recopilar datos para que descubramos los patrones que existen en el universo. A veces, los científicos tienen que inventar los instrumentos que les permitan recopilar estos datos. Finalmente, desarrollan teorías para explicar las observaciones y los patrones. Los principios en los que se basa una teoría se aplican a todo el universo.

Cuando hay nuevos conocimientos disponibles, a veces es necesario cambiar las teorías. Esto a menudo significa hacer pequeños ajustes, pero casi nunca significa revisar completamente una teoría. Aunque los científicos nunca pueden estar 100% seguros acerca de una teoría, a medida que el conocimiento sobre el universo se vuelve más sofisticado, la mayoría de las teorías se vuelven más refinadas y más ampliamente aceptadas. En este programa de ciencias de la escuela media, verás ejemplos de este proceso mientras estudias la historia de la comprensión científica de temas tales como los elementos y la tabla periódica, la base celular de la vida, la genética, las placas tectónicas, el sistema solar y el universo.

Ciencia e ingenieríaAa p é n d i c e

APÉNDICE A

60 BIOINGENIERÍA

Si bien el objetivo principal de la ciencia es comprender los fenómenos, el objetivo principal de la ingeniería es resolver los problemas. Al igual que la ciencia, la ingeniería involucra tanto el conocimiento como un conjunto de prácticas comunes en toda una gama de problemas de ingeniería. Así como los científicos comienzan haciendo preguntas, los ingenieros comienzan definiendo problemas. Así como los científicos buscan explicaciones para los fenómenos, los ingenieros buscan soluciones para los problemas.

La ciencia y la ingeniería a menudo se complementan entre sí. Por ejemplo, los científicos usan instrumentos desarrollados por ingenieros para estudiar el mundo natural. Y los ingenieros usan principios científicos cuando diseñan soluciones para los problemas.

La búsqueda científica

La búsqueda está en el corazón de la ciencia, y un componente importante de esa búsqueda es la investigación científica, incluso la experimentación. Aunque los científicos no necesariamente siguen una serie de pasos fijos cuando realizan investigaciones, comparten conocimientos comunes sobre las características de una investigación científicamente válida. Por ejemplo, los científicos obtienen pruebas a partir de observaciones y mediciones. Repiten y confirman las observaciones, y piden a otros científicos que revisen sus resultados. Es importante que los científicos eviten el sesgo en el diseño, la conducción y el informe de sus investigaciones, y que logren que otros científicos imparciales puedan repetir sus resultados. Algunos tipos de investigaciones permiten a los científicos establecer controles y variar una sola condición a la vez. Formulan y comprueban hipótesis, y a veces recopilan datos que los llevan a desarrollar teorías.

Cuando los científicos desarrollan teorías, están construyendo modelos y explicando los patrones y las relaciones que observan en los fenómenos naturales. Estas explicaciones deben ser lógicamente coherentes con las pruebas que han recopilado y con las pruebas que otros científicos han recopilado. Las hipótesis y las teorías permiten a los científicos hacer predicciones. Si las pruebas resultan no ser compatibles con una predicción, es posible que los científicos tengan que considerar la revisión de la hipótesis o de la teoría en la que se basó la predicción.

Diseño de ingeniería

Un ingeniero utiliza la ciencia y la tecnología para construir un producto o diseñar un proceso que resuelva un problema o que haga que el mundo sea mejor. El diseño de ingeniería se refiere a los procesos que utilizan los ingenieros para diseñar, realizar pruebas y mejorar las soluciones a los problemas. Al igual que los científicos, los ingenieros diseñan investigaciones para probar sus ideas, usan las matemáticas, analizan los datos y desarrollan modelos.

APÉNDICE A

BIOINGENIERÍA 61

Como la mayoría de las soluciones del mundo real no son perfectas, los ingenieros trabajan para desarrollar las mejores soluciones que puedan, al mismo tiempo que equilibran factores como la función, el costo, la seguridad y la facilidad de uso de sus soluciones. Los factores que los ingenieros identifican como importantes para las soluciones a un problema se llaman “criterios” y “restricciones”. La mayoría de las soluciones de ingeniería tienen una o más ventajas y desventajas o características deseadas que deben abandonarse para obtener otras características más deseables.

La ciencia como propósito de la humanidad

La ciencia y la ingeniería son actividades del ser humano. Las personas de todo el mundo participan en ciencia e ingeniería y usan información científica y soluciones tecnológicas. Los tipos de preguntas que hace un científico y los tipos de problemas que un ingeniero intenta resolver están influenciados por lo que ellos piensan que es importante. Y lo que piensan que es importante investigar, en general, depende de sus antecedentes, experiencias y perspectiva. Por eso, es esencial que todo tipo de personas se conviertan en científicos e ingenieros para asegurarse de que la ciencia y la ingeniería respondan a sus intereses y necesidades, y de que haya diversas ideas para enriquecer las explicaciones y los argumentos. La participación de una amplia variedad de personas en la ciencia y la ingeniería conducirá a un mayor y más rápido progreso hacia la comprensión de cómo funciona el mundo natural y la solución de los problemas que enfrentan los individuos, las comunidades y el medio ambiente.

Para obtener más información sobre los intereses y logros de diversos científicos e ingenieros, visita la página de la tercera edición de SEPUP que corresponde a cada unidad en el sitio web de SEPUP, en www.sepuplhs.org/middle/third-edition. Cada unidad destaca ejemplos de personas de diversos orígenes en carreras que contribuyen y dependen del avance de la ciencia y de la tecnología.

ReferenciasAmerican Association for the Advancement of Science (AAAS). (1990). Project 2061: Science for all Americans. New York: Oxford University Press.

National Research Council. (2012). A Framework for K–12 Science Education: Practices, Crosscutting Concepts, and Core Ideas. Committee on a Conceptual Framework for New K–12 Science Education Standards. Board on Science Education, Division of Behavioral and Social Sciences and Education. Washington, DC: The National Academies Press.

APÉNDICE A

62 BIOINGENIERÍA

Seguridad en la cienciaB

PAUTAS DE SEGURIDAD EN LA CIENCIA

Tú eres responsable de tu propia seguridad y de la seguridad de los demás. Asegúrate de comprender las siguientes pautas y de seguir

las instrucciones de tu maestro para realizar todas las actividades de campo y en el laboratorio.

Antes de la investigación

• Escucha atentamente las instrucciones de tu maestro y sigue los pasos recomendados al momento de prepararte para realizar la actividad.

• Conoce la ubicación y el uso adecuado del equipo de seguridad para emergencias, como el lavado ocular y de cara, la manta ignífuga y el extintor de incendios.

• Debes conocer la ubicación de las salidas y los procedimientos en caso de emergencia.

• Vístete apropiadamente para realizar el trabajo de laboratorio. Ata tu cabello si es largo, y evita usar joyas colgantes o voluminosas, o ropa suelta. No uses zapatos abiertos. Evita usar uñas sintéticas: son un peligro de incendio y pueden rasgar los guantes protectores.

• Informa a tu maestro si usas lentes de contacto, si tienes alergia al látex, a ciertos alimentos o a otros artículos, o si tienes alguna afección médica que pueda afectar tu capacidad para realizar el trabajo en el laboratorio de manera segura.

• Asegúrate de que el piso y el área de trabajo estén libres de libros, mochilas, carteras u otros materiales innecesarios.

• Haz preguntas si no comprendes el procedimiento o las recomendaciones de seguridad para realizar una actividad.

• Debes revisar, entender y firmar el Acuerdo de seguridad, y obtener la firma de uno de tus padres o de tu tutor.

a p é n d i c e

APÉNDICE B

BIOINGENIERÍA 63

Durante la investigación

• Lee atentamente y sigue el procedimiento de la actividad y las recomendaciones de seguridad.

• Sigue cualquier instrucción adicional, escrita y oral, que te proporcione tu maestro.

• Realiza solo las actividades y usa solo los materiales aprobados por tu maestro que sean necesarios para la investigación.

• No debes comer, beber, masticar chicle ni aplicar cosméticos en el área del laboratorio.

• Usa el equipo de protección personal (gafas protectoras contra salpicaduras químicas, delantales para laboratorio y guantes de protección) apropiado para la actividad.

• No uses lentes de contacto cuando trabajes con productos químicos. Si tu médico dice que debes usarlos, notifica a tu maestro antes de realizar cualquier actividad en la que se usen productos químicos.

• Lee todas las etiquetas de los productos químicos y asegúrate de estar utilizando la sustancia química correcta.

• Mantén cerrados los contenedores de los productos químicos cuando no estén en uso.

• No toques, pruebes ni huelas ningún producto químico, a menos que tu maestro te indique que lo hagas.

• Mezcla los productos químicos solo según las indicaciones.

• Ten cuidado cuando trabajes con platos calientes, líquidos calientes, equipos eléctricos y utensilios de vidrio.

• Sigue todas las instrucciones cuando trabajes con organismos vivos o cultivos microbianos.

• Debes ser maduro y cauteloso, y no hacer bromas.

• Informa inmediatamente a tu maestro cualquier situación insegura, accidente o derrame de sustancias químicas.

• Si derramas productos químicos sobre tu piel, lávate durante 15 minutos con abundante agua. Quítate toda la ropa contaminada y continúa enjuagándote. Pregúntale a tu maestro si deberías tomar otras medidas, como buscar atención médica.

• Respeta y cuida todo el equipo.

APÉNDICE B

64 BIOINGENIERÍA

Después de la investigación

• Desecha todos los materiales químicos y biológicos según te lo indique tu maestro.

• Limpia tu área de trabajo, tapa nuevamente las botellas de forma segura y sigue cualquier instrucción especial.

• Vuelve a colocar el equipo en su ubicación correcta.

• Lávate las manos con jabón y agua tibia durante al menos 20 segundos después de realizar cualquier actividad en el laboratorio, aun cuando hayas usado guantes protectores.

Tu maestro te entregará un acuerdo similar al que aparece a continuación para que lo firmes.

Acuerdos de seguridad en ciencia

E S T U D I A N T E

Yo, _________________________, he leído las Pautas de seguridad en ciencia para estudiantes adjuntas y las he debatido en mi clase. Entiendo mis responsabilidades respecto de mantener la seguridad en el aula de ciencias. Acepto seguir estas pautas y cualquier regla adicional provista por el distrito escolar o mi maestro.

Firma del estudiante: ________________________________________________________________________

Fecha: _____________________

PA D R E O T U TO R

Revise con el estudiante las Pautas de seguridad en ciencia adjuntas, que incluyen las responsabilidades y expectativas de seguridad para todos los estudiantes. Es importante que todos los estudiantes sigan estas pautas para proteger contra accidentes a sus compañeros de clase, a sus maestros y a ellos mismos. Comuníquese con la escuela si tiene alguna pregunta sobre estas pautas.

Yo, _________________________, he leído las pautas adjuntas y las he analizado con mi hijo. Entiendo que mi hijo es responsable de seguir estas pautas y cualquier instrucción adicional en todo momento.

Firma del padre o del tutor: _____________________________________________________________

Fecha: _____________________

APÉNDICE A

BIOINGENIERÍA 65

L a s s i g u i e n t e s pág i n a s incluyen hojas de instrucciones que puedes usar para revisar habilidades científicas importantes:

• Lectura de una probeta

• Cómo usar un frasco con gotero

• Lista de verificación de gráficos de barras

• Lista de verificación de gráficos de dispersión y de líneas

• Interpretación de gráficos

• Elementos del buen diseño experimental

• Uso de microscopios

Habilidades científicasCa p é n d i c e

APÉNDICE C

66 BIOINGENIERÍA

LECTURA DE UNA PROBETA Una probeta mide el volumen de un líquido, generalmente, en mililitros (ml). Para medir correctamente con una probeta:

1. Determina qué medida representa cada línea no marcada en la probeta.

2. Coloca la probeta sobre una superficie plana y vierte el líquido que se va a medir.

3. Pon tus ojos al nivel de la superficie del líquido. (Tendrás que agacharte).

4. Lee la probeta en el punto más bajo de la curva del líquido (llamado menisco).

5. Si la curva se encuentra entre las marcas, calcula el volumen al mililitro más cercano.

El siguiente ejemplo muestra una probeta de plástico que contiene 42 ml de líquido.

50

40

APÉNDICE C

BIOINGENIERÍA 67

CÓMO USAR UN FRASCO CON GOTERO

Incorrecto

Al sostener el frasco con gotero en ángulo, se obtienen gotas que varían en tamaño.

Correcto

Al sostener el frasco con gotero verticalmente, se obtienen gotas que son de tamaños más uniformes.

APÉNDICE C

68 BIOINGENIERÍA

LISTA DE VERIFICACIÓN DE GRÁFICOS DE BARRAS

Gráfico de muestra

Sigue las instrucciones a continuación para hacer un gráfico de barras de muestra.

Comienza con una tabla de datos. Esta tabla representa la cantidad del químico A que la empresa Acme utilizó cada año de 2011 a 2015.

Determina si un gráfico de barras es la mejor manera de representar los datos.

Si es así, dibuja los ejes. Etiquétalos con los nombres y las unidades de los datos.

Decide una escala para cada eje. Asegúrate de que haya suficiente espacio para todos los datos, pero que no estén demasiado apretados.

Marca los intervalos en el gráfico y etiquétalos con claridad.

Año Químico A utilizado (kg)

2011

2013

2014

2012

2015

100

110

80

90

105

Año

Quí

mic

o A

(kg)

Eje “Año”: 1 bloque = 1 año

Eje “Químico A”: 1 bloque = 20 kilogramos

Año

Quí

mic

o A

(kg)

120

0

40

20

60

80

100

2012

2011

2013

2014

2015

APÉNDICE C

BIOINGENIERÍA 69

LISTA DE VERIFICACIÓN DE GRÁFICOS DE BARRAS (continuación)

Traza tus datos en el gráfico.

Completa las barras.

Ponle título a tu gráfico. El título debe describir lo que muestra el gráfico.

Año

Quí

mic

o A

(kg)

120

0

40

20

60

80

100

2012

2011

2013

2014

2015

Año

Quí

mic

o A

(kg)

120

0

40

20

60

80

100

2012

2011

2013

2014

2015

Año

Quí

mic

o A

(kg)

120

0

40

20

60

80

100

2012

2011

2013

2014

2015

Cantidad del químico A utilizado en 2011–2015

APÉNDICE C

70 BIOINGENIERÍA

Gráfico de muestra

Sigue las instrucciones a continuación para hacer un gráfico de líneas de muestra.

Comienza con una tabla de datos.

Determina si un gráfico de líneas o un gráfico de dispersión es la mejor manera de representar los datos.

Dibuja los ejes. Etiquétalos con los nombres y las unidades de los datos.

Decide una escala para cada eje. Asegúrate de que haya suficiente espacio para todos los datos, pero que no estén demasiado apretados.

Dibuja intervalos en el gráfico y etiquétalos con claridad.

LISTA DE VERIFICACIÓN DE GRÁFICOS DE DISPERSIÓN Y DE LÍNEAS

Tiempo (minutos)

Distancia (metros)

0

2

3

1

4

0

9

5

16

20

5 27

MOVIMIENTO DE UNA BOLA

GRÁFICO DE LÍNEAS

Tiempo (minutos)

Dis

tanc

ia (m

etro

s)

Eje “Tiempo”: 1 bloque = 1 minuto

Eje “Distancia”: 1 bloque = 5 metros

Tiempo (minutos)

Dis

tanc

ia (m

etro

s)

30

0

10

5

15

20

25

0 3 421 5

APÉNDICE C

BIOINGENIERÍA 71

LISTA DE VERIFICACIÓN DE GRÁFICOS DE DISPERSIÓN Y DE LÍNEAS (continuación)

Traza tus datos en el gráfico.

Para un gráfico de dispersión, deja los puntos sin conectar.

Para un gráfico de líneas, dibuja una línea suave o curva que siga el patrón indicado por la posición de los puntos.

Ponle título a tu gráfico. El título debe describir lo que muestra el gráfico.

Si se ha trazado más de un conjunto de datos, incluye una clave.

Tiempo (minutos)

Dis

tanc

ia (m

etro

s)

30

0

10

5

15

20

25

0 3 421 5

Tiempo (minutos)D

ista

ncia

(met

ros)

30

0

10

5

15

20

25

0 3 421 5

Tiempo (minutos)

Dis

tanc

ia (m

etro

s)

30

0

10

5

15

20

25

0 3 421 5

DISTANCIA DE RODADO DE UNA BOLA

= bola grande

= bola pequeña

APÉNDICE C

72 BIOINGENIERÍA

Existe un patrón. No existe un patrón.

¿Existe una relación?

Relación

¿Cuál es la tendencia general de los datos?

IAPS 3e WavesFig. SB App_C 1 MyriadPro Reg 9.5/11

Sin relación

Positiva: a medida que aumenta “x”, aumenta “y”

Lineal: a medida que aumenta “x”, “y” aumenta constantemente (a veces se la denomina “directa”)

No lineal: a medida que aumenta “x”, “y” aumenta a un ritmo cambiante

Lineal: a medida que aumenta “x”, “y” disminuye constantemente

No lineal: a medida que aumenta “x”, “y” disminuye a un ritmo cambiante (a veces se la denomina “inversa”)

Cíclica: a medida que aumenta “x”, “y” aumenta y disminuye repetidamente

Negativa: a medida que aumenta “x”, disminuye “y”

INTERPRETACIÓN DE GRÁFICOS

Determina la ruta que describe los datos.

APÉNDICE C

BIOINGENIERÍA 73

INTERPRETACIÓN DE GRÁFICOS (continuación)

Define los componentes del gráfico.

Cosas que puedes decir:

“El título del gráfico es...”

“La variable independiente en este gráfico es...”

“La variable dependiente en este gráfico es...”

“_________ se mide en __________________”.

Describe lo que indica el gráfico.

Cosas que puedes decir:

“Este gráfico muestra que...”

“A medida que _________ aumenta, el...”

“El ______ tiene el... más alto”

“_________ es diferente de ___________ porque...”

“__________ alcanzó su punto máximo a...”

“La tasa de _______ aumentó de...”

Describe cómo se relaciona el gráfico con el tema.

Cosas que puedes decir...

“Este gráfico es importante para entender ________ porque...”

“Este gráfico apoya la afirmación de que _____________ porque...”

“Este gráfico refuta la afirmación de que _____________ porque...”

APÉNDICE C

74 BIOINGENIERÍA

ELEMENTOS DEL BUEN DISEÑO EXPERIMENTAL

Un experimento que está bien diseñado:

• se basa en investigaciones anteriores;

• se basa en una pregunta, observación o hipótesis;

• describe todos los pasos de un procedimiento de forma completa y clara;

• incluye un control para comparar;

• mantiene todas las variables iguales, excepto la sometida a prueba;

• describe todos los datos que se recopilarán;

• incluye mediciones precisas y todos los registros de datos recopilados durante el experimento;

• puede requerir múltiples ensayos;

• puede ser reproducido por otros investigadores;

• respeta a los sujetos humanos y animales.

Nota: los elementos pueden variar según el problema que se estudia.

APÉNDICE C

BIOINGENIERÍA 75

Cómo enfocar un microscopio

Asegúrate de que tu microscopio esté configurado con la potencia más baja antes de colocar el portaobjetos en la platina del microscopio. Coloca el portaobjetos en la platina del microscopio. Centra el portaobjetos para que la muestra esté directamente sobre la abertura de la luz y ajusta la configuración del microscopio según sea necesario. Si el microscopio tiene pinzas en la platina, asegura el portaobjetos en su lugar para que no se mueva.

• Observa la muestra. Primero enfoca con el tornillo macrométrico y luego ajusta el tornillo micrométrico.

• Después de cambiar a un mayor aumento, ten cuidado de ajustar el enfoque solamente con el tornillo micrométrico.

• Regresa a la baja potencia antes de retirar el portaobjetos de la platina del microscopio.

Seguridad

Sostén siempre un microscopio correctamente con ambas manos: una mano debajo y la otra sosteniendo el brazo del microscopio. Cuando trabajes con organismos vivos, asegúrate de lavarte bien las manos después de terminar el trabajo de laboratorio.

USO DE MICROSCOPIOS

3377 SEPUP SGI Cell SBFigure: 3377CellSB 02_01Mryriad Pro 9/9

Ocular

Objetivos

Perilla de ajuste

macrométrico

Perilla de ajuste

micrométricoFuente de luz

Diafragma

Clips de la platina

Platina

APÉNDICE C

76 BIOINGENIERÍA

Algunos consejos para crear mejores dibujos:

• Usa un lápiz con punta y ten una buena goma de borrar disponible.

• Intenta relajar los ojos cuando mires por el ocular. Puedes cubrir un ojo o aprender a mirar con los dos ojos abiertos. Intenta no entrecerrar los ojos.

• Mira por tu microscopio mientras realizas tu dibujo. Mira por el microscopio más de lo que miras tu papel.

• No dibujes cada pequeña cosa que haya en tu portaobjetos. Solo concéntrate en una o dos de las cosas más comunes o interesantes.

• Puedes dibujar las cosas más grandes de lo que realmente las ves. Esto te ayuda a mostrar todos los detalles que ves.

• Mantén las palabras escritas fuera del círculo.

• Usa una regla para dibujar las líneas de tus etiquetas. Mantén las líneas paralelas: no cruces una línea sobre otra.

• Recuerda registrar el nivel de aumento junto a tu dibujo.

3377 SEPUP SGI Cell SBFigure: 3377CellSB 03_01

Spirogyra (algas) x 400

cloroplasto

pared celular

APÉNDICE A

BIOINGENIERÍA 77

Las medidas que aparecen en este programa se expresan en unidades métricas del Sistema Internacional de Unidades, también conocido

como unidades SI (del francés Système Internationale d’Unités), que se estableció mediante un acuerdo internacional. Prácticamente todos los países del mundo exigen el uso exclusivo del sistema métrico. En los Estados Unidos, no se usa el sistema métrico para muchas mediciones, aunque ha sido el estándar para la comunidad científica de ese país durante más de 200 años. El esfuerzo del gobierno de los Estados Unidos por convertir el sistema de uso habitual en este país a medidas métricas en todos los ámbitos de la vida aún no se ha extendido mucho más allá de los organismos gubernamentales, las fuerzas militares y algunas industrias.

La razón por la que muchos países han reemplazado sus sistemas tradicionales de medición por el sistema métrico se debe a su facilidad de uso y a que buscan mejorar el comercio internacional. Hay muchas menos unidades para entender en comparación con el sistema comúnmente utilizado en los Estados Unidos. El sistema métrico tiene solo una unidad base para cada cantidad, y las unidades más grandes o más pequeñas se expresan agregando un prefijo. La tabla a continuación muestra las unidades base del Sistema Internacional de Unidades.

CANTIDAD UNIDAD BASE

Longitud metro (m)

Masa kilogramo (kg)

Tiempo segundo (s)

Temperatura kelvin (K)

Corriente eléctrica amperio (A)

Intensidad luminosa candela (cd)

Sustancia mol (mol)

El Sistema Internacional de UnidadesD

a p é n d i c e

APÉNDICE D

78 BIOINGENIERÍA

Otras unidades internacionales que aparecen en las unidades Ciencias y cuestiones de SEPUP se muestran en la siguiente tabla.

canTidad Unidad eJeMpLO cOMÚn

Temperatura Celsius (°C) La temperatura ambiente es de aproximadamente 20° C.

Volumen litro (l) Una botella grande de refresco contiene 2 litros.

Masa gramo (g) Un billete de un dólar tiene una masa de aproximadamente 1 gramo.

Longitud de onda

nanómetro (nm)La luz visible se encuentra en el rango de 400 a 780 nanómetros.

Los prefijos del Sistema Internacional cambian la magnitud de las unidades por factores de 1,000. Los prefijos indican qué múltiplo de 1,000 se aplica. Por ejemplo, el prefijo kilo significa 1,000. Por lo tanto, un kilómetro significa 1,000 metros y un kilogramo significa 1,000 gramos. Para convertir una cantidad de una unidad a otra en el sistema métrico, esa cantidad solo necesita ser multiplicada o dividida por múltiplos de 1,000. La siguiente gráfica muestra los prefijos del sistema métrico en relación con las unidades base. Nota: Aunque no es un múltiplo de 1,000, el prefijo centi se usa comúnmente, por ejemplo, en la unidad centímetro. “Centi” representa el factor de un centésimo.

pReFiJO MéTRicO FacTOR FacTOR (nUMéRicO)

giga (G) mil millones 1,000,000,000

mega (M) un millón 1,000,000

kilo (k) mil 1,000

[UNIDAD] uno 1

mili (m) una milésima 1/1,000

micro (μ) una millonésima 1/1,000,000

nano (n) una mil millonésima 1/1,000,000,000

APÉNDICE A

BIOINGENIERÍA 79

Las siguientes páginas incluyen hojas de instrucciones y plantillas para algunas de las estrategias de alfabetización que se usan a

lo largo de este libro. Úsalas como referencia o para copiarlas en tu cuaderno de ciencias.

• Presentaciones orales

• Lectura de procedimientos científicos

• Cómo llevar un cuaderno de ciencias

• Cómo escribir un informe formal de investigación

• Instrucciones para construir un mapa conceptual

• Desarrollo de habilidades de comunicación

Estrategias de alfabetizaciónEa p é n d i c e

APÉNDICE E

80 BIOINGENIERÍA

PRESENTACIONES ORALES• Tu tiempo de presentación será corto. Enfoca tu presentación en las

ideas más importantes que necesitas comunicar.

• Comunícate claramente y planifica tus palabras con anticipación. Cuando hables, hazlo lentamente y en voz alta, y mira a tu audiencia.

• Los miembros del grupo deben solicitar y darse apoyo mutuamente si necesitan ayuda para expresar una palabra o concepto clave.

• Incluye gráficos y mapas cuando sea posible. Asegúrate de que el tipo de letra impresa o escrita a mano y las imágenes sean lo suficientemente grandes como para que toda la audiencia pueda verlas.

• Si bien tienes tus propias opiniones sobre un tema, es importante que presentes información imparcial y completa. Luego, tu audiencia puede sacar sus propias conclusiones.

• Deben participar todos los miembros de un grupo.

• Como a cualquier miembro del grupo se le puede pedir que responda las preguntas de la clase, todos los miembros del grupo deben comprender en detalle la presentación.

• En una presentación grupal, todos pueden desempeñar el papel de diferentes expertos al momento de brindar su información. La clase representaría a los miembros de la comunidad que pueden tomar una decisión sobre el tema.

APÉNDICE E

BIOINGENIERÍA 81

LECTURA DE PROCEDIMIENTOS CIENTÍFICOSEl propósito de leer un procedimiento científico es averiguar exactamente qué hacer, cuándo hacerlo y con qué materiales para poder completar todos los pasos de una investigación.

Si lees un paso y no estás seguro de qué hacer, intenta con estas estrategias:

• Vuelve a leer el paso anterior.

• Vuelve a leer el paso que te confunde. Algunas veces, volver a leer aclara la información.

• Pregunta a tu compañero si entiende lo que el paso dice que hay que hacer.

• Pregunta a tu compañero si hay palabras que no entiendes.

• Pide a tu compañero que te explique lo que el paso dice que hay que hacer.

• Pide a tu compañero que lea el paso en voz alta mientras escuchas y tratas de hacer lo que tu compañero está describiendo.

• Vuelve a leer el propósito (pregunta orientadora) de la investigación.

• Intenta expresar en voz alta el propósito del paso con tus propias palabras.

• Mira las pistas en las imágenes de la actividad.

• Echa un vistazo a los otros grupos a fin de saber si están haciendo el paso que te confunde.

• Dile a tu maestro exactamente qué es lo que te resulta confuso y por qué no tiene sentido para ti.

APÉNDICE E

82 BIOINGENIERÍA

CÓMO LLEVAR UN CUADERNO DE CIENCIAS• Escribe con tinta azul o negra.

• Tacha los errores o cambios con una sola línea. No borres ni uses líquido corrector.

• Escribe con claridad.

• Anota la fecha de cada entrada.

• Para cada nueva investigación, escribe lo siguiente:

Título:

Propósito:Vuelve a escribir la pregunta orientadora con tus propias palabras. Sugerencia: ¿Qué vas a hacer? ¿Por qué vas a hacerlo?

Materiales:Escribe “√” aquí después de haber reunido los materiales necesarios.

Procedimiento:Escribe si comprendes el procedimiento.

Datos:Registra observaciones, mediciones y otros trabajos de laboratorio.Incluye tablas de datos, cuadros, diagramas o gráficos cuando sea necesario.Asegúrate de etiquetar tu trabajo claramente.

• A veces, es posible que desees hacer lo siguiente:

Hacer inferencias o sacar conclusiones en función de los datos.Creo que mis resultados significan...Creo que esto sucedió porque...

Reflexionar sobre cómo se desarrolló la actividad en tu grupo.Esto es lo que salió bien... Esto es lo que no salió bien...Si pudiera repetir esta actividad, haría...

Pensar en las preguntas que aún tienes.Me pregunto si...No estoy seguro de...

Mantener un registro de vocabulario e ideas nuevas.Una palabra clave que aprendí es...Me gustaría saber qué pasa cuando...Una cosa interesante que se podría hacer sería...

APÉNDICE E

BIOINGENIERÍA 83

CÓMO LLEVAR UN CUADERNO DE CIENCIAS (continuación)La siguiente es una guía para ayudarte a realizar investigaciones. Sin embargo, según la investigación, no siempre puedes usar todos los pasos que se detallan a continuación ni puedes usarlos en el mismo orden todas las veces.

Título: Elige un título que describa la investigación.

Propósito: ¿qué estoy buscando? Escribe lo que estás tratando de descubrir en forma de pregunta.

Antecedentes: ¿qué sé sobre el tema? Escribe un resumen de la información de los antecedentes que tengas sobre el tema que condujo al propósito de la investigación.

Hipótesis: escribe una afirmación sobre lo que prevés ver como datos en el experimento para responder la pregunta del “Propósito” y por qué estás haciendo esa predicción.

Diseño experimental: ¿cómo responderás la pregunta?Describe los métodos que usarás (lo que harás) para responder la pregunta. Usa pasos cortos numerados que sean fáciles de seguir en el laboratorio.Haz una lista de los materiales que usarás para responder la pregunta.Describe las variables:

• Variable independiente (lo que se cambia) • Variable dependiente (lo que se mide) • Variable de control (lo que se usará como valor de referencia para comparación)

Datos: ¿qué encontraste?Registra observaciones y mediciones. Usa una tabla de datos cuando corresponda para organizar los datos. No olvides incluir unidades adecuadas y etiquetas claras.

Al final de tu investigación, haz lo siguiente:

Haz inferencias o saca conclusiones sobre los datos:Creo que mis resultados significan...Creo que esto sucedió porque...

Piensa en cualquier error que haya ocurrido durante la investigación:¿Qué no sucedió según lo planeado?¿Qué pasos fueron difíciles de seguir durante la investigación y por qué?

Piensa en las preguntas que aún tienes que podrían conducir a nuevas investigaciones:Me pregunto si...No estoy seguro de...

Mantén un registro del nuevo vocabulario y de las nuevas ideas que podrían conducir a nuevas investigaciones

Me gustaría saber qué pasa cuando...Una cosa interesante que se podría hacer sería...

Reflexiona sobre cómo se desarrolló la actividad en tu grupoEsto es lo que salió bien:... Esto es lo que no salió bien:...Si pudiera hacer esta investigación de nuevo, haría...

APÉNDICE E

84 BIOINGENIERÍA

REDACCIÓN DE UN INFORME FORMAL DE LA INVESTIGACIÓN Usa la información de tu cuaderno de ciencias para escribir un informe formal sobre la investigación que realizaste.

Título:Elige un título que describa la investigación.

Resumen: ¿qué estabas buscando en esta investigación y qué encontraste?Escribe un párrafo que resuma lo que ya sabías sobre el tema, tu propósito, tu hipótesis, y tus resultados y conclusiones.

Diseño experimental:Describe los materiales y métodos de investigación que utilizaste para responder la pregunta.Indica con qué variables trabajaste y los controles.

Datos: ¿qué encontraste?Informa las observaciones y mediciones. Incluye una tabla de datos organizada, si corresponde, a fin de que quien revise tu informe vea los resultados fácilmente.No olvides utilizar las unidades de medida adecuadas y escribir etiquetas claras para las columnas de tu tabla.

Análisis de los datos: indica los datos de una manera que puedan interpretarse fácilmente.

Usa gráficos, diagramas o cuadros cuando corresponda para ayudar a un revisor a interpretar tus datos.

Conclusión: ¿qué significan los datos?Resume los datos.Considera tu conclusión según la precisión de tu hipótesis y los datos que recopilaste.Analiza cualquier error que haya podido interferir en los resultados.Describe cualquier cambio que deba hacerse la próxima vez que se realice la investigación.Describe cualquier pregunta nueva que deba investigarse sobre la base de los resultados de esta investigación.

APÉNDICE E

BIOINGENIERÍA 85

INSTRUCCIONES PARA CONSTRUIR UN MAPA CONCEPTUAL

1. Trabaja con tu grupo para crear una lista de 15 a 20 palabras relacionadas con el tema.

2. Si no estás seguro del significado de una palabra, búscalo en el libro o en tus notas, o háblalo con tu grupo.

3. Debate con tu grupo sobre cómo se relacionan todas las palabras de tu lista y clasifica tu lista de palabras en tres a cinco categorías, según estas relaciones.

Recuerda escuchar y considerar las ideas de otros miembros de tu grupo. Si no estás de acuerdo con los demás miembros de tu grupo, explícale al resto del grupo por qué no estás de acuerdo.

4. Identifica las palabras que pueden usarse para describir cada categoría.

5. Trabaja con tu grupo para crear un mapa conceptual sobre este tema. Sigue estos pasos:

a. Escribe el tema en el centro de tu hoja y enciérralo con un círculo.

b. Anota las palabras que describen cada categoría relacionada con el tema. Encierra con un círculo cada palabra.

c. Dibuja una línea entre el tema y cada categoría. En cada línea, explica la relación entre el tema y la categoría.

d. Repite los pasos 5b y 5c a medida que continúes agregando todas las palabras de la lista a tu mapa conceptual.

e. Agrega líneas para vincular otras palabras relacionadas. Explica la relación entre las palabras de la línea.

6. Observa los mapas conceptuales de otros grupos. Mientras observas los mapas conceptuales de otros grupos, analiza las similitudes y diferencias entre sus mapas y los tuyos. Debate tus observaciones con los miembros de tu grupo.

APÉNDICE E

86 BIOINGENIERÍA

DESARROLLO DE HABILIDADES DE COMUNICACIÓN

comunicación iniciadores de oraciones

Para comprender mejor Un punto que no estaba claro para mí fue...

¿Estás diciendo que...?

¿Puedes aclarar...?

Para compartir una idea Otra idea es...

¿Qué pasa si intentamos...?

Tengo una idea. Podríamos intentar...

Para mostrar desacuerdo Entiendo tu punto, pero ¿qué pasa con...?

Otra forma de analizarlo es...

Todavía no estoy convencido de...

Para formular objeciones ¿Cómo llegaste a la conclusión de que...?

¿Qué te hace pensar que...?

¿Cómo se explica que...?

Para recibir comentarios ¿Qué me ayudaría a mejorar...?

¿Tiene sentido lo que dije sobre...?

Para brindar comentarios positivos Una fortaleza de tu idea es...

Tu idea es buena porque...

Tengo una idea. Podríamos intentar...

Para hacer comentarios constructivos El argumento sería más sólido si...

Otra forma de hacerlo sería...

¿Qué pasaría si lo dijeras así...?

Para debatir la información presentada en texto y gráficos

No estoy seguro de entender completamente esto, pero creo que puede significar...

Sé algo sobre esto de...

Una pregunta que tengo sobre esto es...

Si miramos el gráfico, muestra...

Imagínate leyendo una revista. Un artículo destacado resume estudios recientes sobre la efectividad de los suplementos vitamínicos y

concluye que tomar píldoras y líquidos vitamínicos es una pérdida de dinero. Unas páginas después, un anuncio de una empresa de vitaminas afirma que uno de sus productos te protegerá de todo tipo de enfermedades. Esas diferencias tan amplias en las afirmaciones que verás en los medios populares son comunes, ¿entonces cómo puedes saber cuál es la correcta? La “alfabetización mediática” es el término que abarca las habilidades que necesitamos desarrollar para analizar y evaluar con eficacia el aluvión de información que encontramos todos los días. La alfabetización mediática también incluye la capacidad de usar varios medios para crear y comunicar nuestros propios mensajes.

Una sólida formación en el proceso de la ciencia te ayuda a desarrollar dos habilidades importantes de la alfabetización mediática: poder identificar la prueba válida y adecuada que hay detrás de una afirmación, y evaluar si esa afirmación es una conclusión lógica basada en evidencia. Las habilidades tienen mucho en común con el proceso de investigación científica, en el que aprendes a buscar información, evaluar la información y llegar a una conclusión basada en tus hallazgos.

Evaluación de mensajes mediáticos

Un “mensaje mediático” es un mensaje visual electrónico, digital, impreso, audible o artístico creado para transmitir información. Los mensajes de los medios pueden incluir artículos de periódicos, anuncios políticos, discursos, obras de arte o incluso vallas publicitarias. Los siguientes son algunos de los tipos de preguntas que puedes formular a los medios a medida que aprendes a analizar críticamente y a evaluar los mensajes de varios tipos de medios. En la página siguiente, hay tres ejemplos de mensajes mediáticos, todos relacionados con un tema común. Usa estos tres ejemplos para analizar y evaluar los mensajes.

Alfabetización mediáticaF

BIOINGENIERÍA 87

a p é n d i c e

APÉNDICE F

88 BIOINGENIERÍA

1. ¿Quién creó este mensaje? ¿Es esta persona una experta en el contenido del mensaje? ¿Qué credenciales tiene esta persona que la haría experta en este tema? ¿Tiene esta persona algún conflicto de interés que pueda predisponerla de algún modo? ¿Quién patrocinó (o pagó) el mensaje? ¿La fuente de financiación tiene algún conflicto de intereses?

BAY MEDICAL JOURNALLa revista mensual de Bay Region Medical Society Vol. XXXIV, N.º 8

La vitamina Z reduce la gravedad del resfriado común en un 15%

P. M. Chakravarty, M.D., Harbord University Medical School, Departamento de Estudios Clínicos

Loretta Arrienza, Ph.D., Universidad de la Región de la Bahía, Departamento de Epidemiología

Mary S. Lowe, M.D., Mid-Bay Hospital, Directora de Atención al Paciente

William Ness, M.P.H., N.P., Mid-Bay Hospital, Director de Enfermería

RESUMEN: EN UN ESTUDIO DE DOCE MESES con 626 participantes masculinos y femeninos sanos de entre 21 y

36 años, y ubicados en la región general de la bahía, los autores encontraron que una dosis regular de

vitamina Z parecía reducir la gravedad del resfriado común en un 15%. En este estudio controlado,

313 participantes recibieron un placebo y 313 participantes recibieron una dosis de 500 mg de vitamina Z

al día. Los médicos que administraron la dosis no sabían qué pacientes estaban recibiendo la vitamina en

este estudio doble ciego. Durante los doce meses, los participantes promediaron 0.9 incidentes de

enfermedad cada uno, definidos como rinovirus con síntomas generales de resfriado. Se solicitó a los

pacientes que autoinformaran sobre la gravedad, el tipo y la duración de los síntomas, utilizando un

formulario de evaluación. En promedio, los que recibieron vitamina Z informaron síntomas menos severos

y una duración más corta, en aproximadamente un 15%. Los efectos variaron en cierta medida según los

tipos de pacientes y la cantidad de enfermedades que experimentaron. Se solicitó a los participantes que

no usaran ningún otro remedio para el resfriado o alivio de los síntomas durante el estudio, aunque solo

el 65% cumplió esta solicitud. Se proporcionan análisis de datos y gráficos, que muestran los resultados

agregados e incluyen estimaciones de probabilidades de márgenes de error.

¿DERROCHAS dinero cuando compras VITAMINAS?

Revista HOME & HEALTH

Septiembre

Donna S. se preguntaba si las vitaminas podrían aportarle la energía y buena salud que sentía que iban disminuyendo desde que se mudó a Springfield con su familia por un nuevo trabajo.

SUZANNE BERYL WALKER

APÉNDICE F

BIOINGENIERÍA 89

2. ¿Qué técnicas creativas del mensaje atraen la atención de una persona?¿Hay palabras, imágenes o sonidos relacionados con los sentidos o las emociones que capten la atención del espectador? ¿Alguna de estas palabras, imágenes o sonidos intenta despertar emociones e influir en las ideas del espectador?

3. ¿El mensaje cita o menciona fuentes apropiadas de información basada en hechos?¿El autor cita fuentes en primera persona cuando informa hechos? ¿Las fuentes del autor provienen de organizaciones creíbles?

4. ¿La prueba presentada respalda completamente la afirmación? ¿Podría haber otra información que pueda respaldar o desacreditar el mensaje? ¿El autor hace inferencias y saca conclusiones lógicas de la prueba presentada en el artículo?

5. ¿Quién es el público objetivo de este mensaje?¿Cómo se dirige este mensaje a este público en particular?

6. ¿El mensaje promueve ciertos valores, estilos de vida, posiciones o ideas, ya sea directa o indirectamente?¿Hay posiciones o ideas promocionadas que no están explícitas en el mensaje?

Evaluación de fuentes de Internet

Imagina que deseas buscar en Internet la efectividad de los suplementos vitamínicos para llegar a tu propia conclusión. Cuando buscas información en línea, un motor de búsqueda está buscando en más de un billón de sitios web.1 Es difícil determinar qué sitios web y fuentes de información son confiables y cuáles tienen sesgos. Para tomar una decisión informada sobre este tema, deberás identificar sitios web precisos e imparciales. A continuación, aparece una lista sugerida de preguntas que te ayudarán a determinar si un sitio web en particular es una fuente de información exacta e imparcial.

1. En el sitio web, ¿están claramente identificados los nombres de los autores, la información de contacto y las credenciales?Los sitios web precisos suelen contener información de autores expertos que tienen sus nombres, credenciales e información de contacto claramente visibles. Algunos sitios web son administrados por un grupo de personas o una organización, y es posible que no esté claramente indicada la información sobre el autor específico. Sin embargo, estas organizaciones deben indicar en su sitio web los nombres, la información de contacto y las credenciales de las personas que representan a la organización.

1. Alpert, Jesse y Hajaj, Nissan. (25 de julio de 2008). We knew the Web was big... The Official Google Blog. Obtenido en agosto de 2010 de http://googleblog.blogspot.om /2008/07/we-knew-web-was-big.html.

APÉNDICE F

90 BIOINGENIERÍA

2. ¿La información y el sitio web están actualizados?Parte de la información que puedes estar buscando debe estar actualizada. Por ejemplo, si estuvieras buscando la cantidad de autos en los Estados Unidos, necesitarías los datos más recientes. Un estudio realizado en 1982 no sería útil en este caso. Cuando busques información que necesita estar actualizada, determina si la fecha en que se escribió el artículo o la información está claramente indicada en el sitio web, de modo que puedas estar seguro de que estás consultando la información más reciente. Los sitios web creíbles suelen indicar la fecha en que se creó o actualizó el artículo o la información. Además, la persona u organización que mantiene el sitio web debe actualizarlo regularmente, de modo que funcione la mayoría de los enlaces a otros sitios web.

3. ¿Las fuentes de información están claramente citadas?Cuando se indica información objetiva en un sitio web, ¿se cita claramente la fuente para que puedas consultarla nuevamente?

4. ¿Hay enlaces a más recursos sobre este tema?Los sitios web autorizados suelen proporcionar enlaces a más información de otras fuentes que respaldan su afirmación. Los autores de sitios web que contienen información parcial o inexacta, generalmente, no brindan información adicional que respalde sus afirmaciones.

5. ¿Qué dicen otras personas sobre el autor o la organización que produjo esta información?Si encuentras información de un autor u organización con la que no estás familiarizado, realiza una búsqueda de otra información sobre el autor o la organización. ¿Qué escriben los expertos sobre otro trabajo del autor u organización?

6. ¿Por qué este sitio web está en Internet?¿Se publicó esta información en Internet para informar o para persuadir? ¿El autor está vendiendo algo? ¿Cuál es la motivación del autor para proporcionar esta información?

Recursos adicionalesMarlene Thier y Bennett Daviss. (2002). The new science literacy. Heinemann: Portsmouth, NH.

Center for Media Literacy. http://www.medialit.org.

PBS Teachers. Media literacy. http://www.pbs.org/teachers/media_lit.

Conceptos comunesG

BIOINGENIERÍA 91

a p é n d i c e

patrones Un patrón es un conjunto de elementos o hechos repetitivos. Los científicos observan patrones en sus datos. Los patrones conducen a preguntas sobre las relaciones e ideas acerca de las causas de estas relaciones.

causa y efecto Los hechos tienen causas. Si “A” provoca que ocurra “B”, tienen una relación de causa y efecto. Una actividad principal de la ciencia es explicar cómo sucede esto. Algunas veces, las causas son simples; otras veces, son complejas. A veces, tanto A como B ocurren, pero uno no causa el otro.

escala, proporción y cantidad

Los fenómenos científicos ocurren en diversas escalas de tamaño, tiempo y energía. Los fenómenos observados en una escala pueden no ser observables en otra escala. Los científicos usan relaciones proporcionales para comparar mediciones de objetos y eventos. A menudo, usan expresiones matemáticas y ecuaciones para representar estas relaciones.

sistemas y modelos de sistema

Un sistema es un grupo de objetos o procesos que interactúan. La descripción de un sistema, incluidos sus componentes, interacciones y límites, y la creación de modelos de ese sistema ayudan a los científicos e ingenieros a comprender fenómenos y probar ideas.

energía y materia El seguimiento de los cambios de energía y materia fuera y dentro de los sistemas ayuda a los científicos a comprender las posibilidades y limitaciones de los sistemas. Muchas relaciones de causa y efecto resultan de cambios de energía y materia.

estructura y función

La estructura (forma, composición, construcción) de un objeto o ser vivo determina muchas de sus propiedades y funciones (lo que la estructura puede hacer).

estabilidad y cambio Tanto para los sistemas naturales como para los construidos, las condiciones a veces son estables (las mismas o dentro de un rango), y algunas veces cambian. Los científicos estudian qué condiciones conducen a la estabilidad o al cambio.

Patterns

A ➞ B Cause and E�ect

Scale, Proportion, and Quantity

Energy and Matter

Structure and Function

Stability and Change

Sysytem and System Models

y

x

O

H H

?

Patterns



Energy and Matter




y

x

O

H H

?

Patterns



Energy and Matter




y

x

O

H H

?

Patterns



Energy and Matter




y

x

O

H H

?Patterns



Energy and Matter




y

x

O

H H

?Patterns



Energy and Matter




y

x

O

H H

?

Patterns



Energy and Matter




y

x

O

H H

?

APÉNDICE A

BIOINGENIERÍA 93

APÉNDICE A

a p é n d i c e

análisis (de resultados experimentales) Hacer vinculaciones entre los resultados de un experimento y la idea o pregunta que se investiga.

aorta Arteria principal que lleva sangre del corazón.

biomimetismo Campo de la ingeniería dedicado a imitar o copiar los movimientos biológicos o las estructuras de los organismos vivos.

carbohidrato Uno de los tres macronutrientes en los alimentos que proporcionan energía. En comparación con las grasas, los carbohidratos proporcionan energía al cuerpo más rápidamente.

científico Alguien que persigue la comprensión del mundo natural mediante el uso de pruebas para responder preguntas.

compensación Resultado deseable al que se renuncia para obtener otro resultado deseable.

correlación Relación entre un evento o acción y otro. Puede haber o no una relación causal entre dos eventos correlacionados.

criterio Requisito mínimo de cómo debe funcionar el diseño.

datos Información recopilada de un experimento u observaciones.

desventaja Propiedad que, en tu opinión, no es favorable.

diseñar Desarrollar un plan para un producto o una estructura.

energía Capacidad de hacer que los objetos cambien, se muevan o funcionen.

error Variación entre una medición y el verdadero valor de una cantidad.

estable Algo que no cambia ni es resistente al cambio.

estructura Forma en que algo se forma, construye u organiza.

función Propósito para el cual se usa una cosa en particular.

gramo (g) Unidad de masa en el sistema métrico; 1 gramo equivale a 1,000 miligramos.

hipótesis Posible explicación de observaciones, hechos o eventos que pueden ser probados mediante una investigación adicional.

índice Relación de dos tipos diferentes de medición.

inferencia Conclusión basada en observaciones o en lo que ya se sabe.

inferir Concluir con el razonamiento a partir de hechos conocidos.

Glosario

GLOSARIO

94 BIOINGENIERÍA

ingeniero Alguien que usa la ciencia y las herramientas para construir un producto que resuelva un problema práctico.

ingeniero biomédico Tipo específico de ingeniero que utiliza la tecnología, las matemáticas y el conocimiento de los sistemas biológicos para resolver problemas biológicos o médicos.

interpretar Explicar o dar cuenta de lo que significan los hechos conforme al punto de vista de quien los explica.

kilocaloría (Kcal) Unidad para medir la energía en los alimentos. 1 kilocaloría = 1,000 calorías.

kilocaloría Unidad de medida equivalente a la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua hasta 1° C.

litro (l) Unidad de volumen en el sistema métrico; 1 litro equivale a 1,000 mililitros.

masa Cantidad de materia de un objeto.

materia Lo que compone todos los objetos vivos y no vivos.

metro (m) Unidad de longitud del sistema métrico; 1 metro equivale a 100 centímetros o 1,000 milímetros.

modelo científico Ver modelo.

modelo Cualquier representación de un sistema (o sus componentes) utilizado para ayudarnos a comprender y comunicar cómo funciona.

optimizar Mejorar algo o hacerlo tan bueno como puedas.

patente Conjunto de derechos exclusivos otorgados por el gobierno federal al inventor del dispositivo, la sustancia o el proceso.

patrón Algo que sucede de manera repetida y predecible.

peso Fuerza vertical ejercida por una masa como resultado de la gravedad.

proceso de diseño de ingeniería Serie de pasos que los ingenieros siguen para encontrar una solución a un problema.

proteína Uno de los tres macronutrientes de los alimentos que proporcionan energía. Las proteínas se utilizan principalmente para construir tejidos, como músculos y huesos.

proteína Uno de los tres macronutrientes en los alimentos que proporcionan energía. En comparación con los carbohidratos, las grasas aportan energía más lentamente porque tardan más en descomponerse en energía utilizable.

prototipo Muestra inicial de un producto que proporciona información sobre cómo funciona el dispositivo o sistema.

prueba Información que respalda o refuta una afirmación.

respiración celular Serie de reacciones químicas en una célula que descomponen los azúcares y liberan energía.

restricción Algo que limita o restringe el diseño.

riesgo Posibilidad de que una acción o evento pueda ocasionar que ocurra algo desfavorable, como una lesión.

GLOSARIO

BIOINGENIERÍA 95

robótica Campo de la ingeniería que construye máquinas que imitan, reemplazan o mejoran las estructuras humanas.

sistema métrico Sistema de medición mundial utilizado por los científicos. También conocido como Sistema Internacional de Unidades (SI).

tecnología Cualquier producto o proceso realizado por ingenieros y científicos.

temperatura Medida de la cantidad de movimiento molecular, generalmente utilizando la escala Fahrenheit (°F) o Celsius (°C).

tendones Tiras brillantes de tejido que conectan los músculos con los huesos.

transferencia de energía Transferencia de energía de un objeto a otro.

transformación de energía Cambio de energía de un tipo a otro, como de químico a calor.

válvula aórtica Estructura del corazón que controla el flujo sanguíneo.

variable controlada Variable de una investigación o experimento que se mantiene constante.

variable dependiente Fenómeno observado que se está midiendo.

variable Factor cambiante en un experimento, la variable es lo que se estudia, como el efecto de la amplitud de una onda sobre la energía que transmite.

variable independiente Variable controlada de un experimento.

variable probada Variable que se cambia de manera sistemática en un experimento o investigación para determinar su efecto.

ventaja Propiedad que, en tu opinión, es favorable.

volumen Cantidad de espacio que ocupa un objeto o sustancia.

BIOINGENIERÍA 97

AAAAS (Asociación Estadounidense

para el Avance de la Ciencia), 59acuerdo de seguridad, 64alas

biomecánica de, 45–49biomimetismo, 45–49disección, 47, 47–48estructura y función, 45–47,

45–49tendones, 48vs. brazos humanos, 46

alfabetización mediática, 87–90, 88. Ver también habilidades de comunicación.

análisis de resultados, 93aorta, 27, 27, 93arterias

aorta, 93válvula aórtica, 93

articulación de la cadera, artificial, 23

Bbasura hospitalaria, eliminación

de desechos, 17, 17biomecánica de un ala, 45–49biomimetismo. Ver también

robótica.definición, 45, 93de un ala, 45–47, 45–49

biónica. Ver también partes artificiales del cuerpo; prótesis; robótica.proyecto del “increíble hombre

biónico”, 11tipos de, 11

bolsas intravenosas, eliminación de desechos, 17, 17

bomba de insulina, 13–14, 14, 16braille, lectura 10

brazo fracturadoarmado de un

cabestrillo, 8–9, 8–9rayos X, 7

brazosrobótica. Ver brazos robóticos.vs. alas, 46

brazos robóticosdiseño de, 52–55usos para, 51

brazos, fracturadoshaciendo un cabestrillo

para, 8–9, 8–9rayos X, 7

Ccabestrillo para brazo

fracturado, 8–9, 8–9cambio, 91cantidad, 91carbohidratos, 41, 93Cartwright, Kelly, 12causa y efecto, 91Chain, Ernst, 35ciencia vs. ingeniería, 59–61científico, 6, 94Clark, Barney, 15–16cómo enfocar un microscopio, 75compensación, 23, 95copiado de movimientos o

estructuras biológicas. Ver biomimetismo.

corazónaorta, 27, 27, 93válvula aórtica, 27, 27, 93artificial, 15, 15–16partes principales de, 27

corazón artificial Jarvik 7, 15, 15correlación, 93criterio, 93

criterioscorazón artificial, 16definición, 93bomba de insulina, 16piernas ortopédicas, 16

cuadernos de ciencias, cómo llevarlos, 82–83

Ddatos, 93desventaja, 93diabetes, monitoreo de

insulina, 13–14, 14, 16diarios. Ver cuadernos de ciencias.dibujo de vistas microscópicas,

75–76, 76disección de un ala, 47, 47–48diseños

creación. Ver proceso de diseño de ingeniería.

límites. Ver restricciones.función mínima. Ver criterio.

EEdison, Thomas, 55eliminación de basura.

Ver eliminación de desechos.eliminación de desechos

basura hospitalaria, 17, 17bolsas intravenosas, 17, 17plásticos, 17, 17jeringas, 17, 17tubería, 17, 17

energíadefinición, 93seguimiento, 91

ensayos clínicos, propósito de, 14error, 94escala, 91especies, 94estabilidad, 91, 94

Índice

El número de página en negrita indica una definición. El número de página en itálica indica una ilustración.

ÍNDICE

98 BIOINGENIERÍA

estructuradefinición, 10, 91, 95huesos humanos, 19de los seres vivos, copiado.

Ver biomimetismo.alas, 45–47, 45–49

etiqueta de información nutricional en los alimentos, 43

evidencia, 94extremidades mecánicas.

Ver prótesis; robótica.

FFleming, Alexander, 34Florey, Howard, 35frasco con gotero, 67fuentes de internet,

evaluación, 89–90función

definición, 10, 91, 94alas, 45–47, 45–49

Ggráficos

barras, 68–69interpretación, 72–73línea, 70–71gráfico de dispersión, 70–71

gramo (g), 94grasas, 41, 94

Hhabilidades científicas

gráficos de barras, 68–69diseño de un experimento, 74interpretación de gráficos, 72–73gráficos de líneas, 70–71lectura de una probeta, 66, 66gráficos de dispersión, 70–71cómo usar un frasco con

gotero, 67uso de microscopios, 75–76

habilidades de comunicación. Ver también alfabetización mediática.mapas conceptuales, 85desarrollo, 86informes formales de

investigación, 84presentaciones orales, 80

cuadernos de ciencias, 82–83procedimientos científicos, 81

hipótesis, 94huesos humanos. Ver huesos,

humanos.huesos, artificiales, 19, 19–23huesos, humanos

brazo, 46estructura de, 19

Iimpactos ambientales. Ver

eliminación de desechos.inferencia, 94inferir, 94informes formales de

investigación, 84informes. Ver habilidades de

comunicación.ingeniería

efectos en la sociedad, 36–37objetivo principal de, 60vs. ciencia, 59–61

ingenieros biomédicos. Ver también ingenieros.definición, 7, 57, 93ilustración, 32

ingenieros. Ver también ingenieros biomédicos.definición, 6, 7, 93tipos de, 31–38trabajo de, 58

interpretar, 94investigación científica, 60

JJarvik, Robert, 15jeringas, eliminación de

desechos, 17, 17

KKilocaloría (Kcal)

tasa de quema, 42definición, 40, 93

kilocaloría, 93

LLetain, Danny, 51litro (l), 94

Mmacronutrientes. Ver carbohidratos;

grasas; proteínas.mano biónica, diseño, 51, 51–55mapas conceptuales, 85marcapasos, 2masa, 94materia

definición, 94en un objeto. Ver masa.seguimiento, 91

medición de la energía en los alimentos. Ver kilocaloría (Kcal).

medicionesde fuerza de gravedad.

Ver peso.de longitud. Ver metro (m).de masa. Ver gramo (g).de movimiento molecular.

Ver temperatura.SI (Sistema Internacional de

Unidades). Ver sistema métrico.

de volumen. Ver litro (l).menisco, 66Menon, Carlos, 51mensajes de los medios de

comunicación, evaluación, 87–90, 88

metro (m), 94Meyer, Bertolt, 11microscopios

dibujar vistas, 75–76, 76enfoque, 75partes de, 75seguridad, 75–76

modelo científico. Ver modelos.modelos

hueso artificial, 19definición, 94de sistemas, 91

modelos del sistema, 91monitoreo de insulina. Ver bomba

de insulina.Monson, Brendan, 13–14Mullins, Aimee, 12–13

Nnecesidades calóricas, FDA

(Administración de Alimentos y Medicamentos), 40

ÍNDICE

BIOINGENIERÍA 99

nutrición alimentariacarbohidratos, 41, 93grasas, 41, 94etiqueta de información

nutricional en los alimentos, 43proteínas, 41, 94valores diarios recomendados

(VD), 43, 43

Ooptimizar, 9, 94

Ppartes artificiales del cuerpo. Ver

también biomecánica; biónica; prótesis; robótica; partes específicas.hueso, 19, 19–23corazón, 15, 16válvula cardíaca, 25–30, 27articulación de cadera, 23

patente, 34, 94patrones, 91, 94pautas de seguridad

realización de investigaciones, 62–64

manejo de microscopios, 75–76penicilina, descubrimiento de, 34,

34–36, 35Penicillium notatum, 34, 34–36persona ciega leyendo braille, 10peso, 95plásticos, eliminación de

desechos, 17, 17presentaciones orales, 80presentaciones. Ver habilidades de

comunicación.probeta, lectura, 66, 66problema de Fred, resolución, 4–6procedimientos científicos,

lectura, 81proceso de diseño de ingeniería

válvula cardíaca artificial, 25–30mano biónica, 51, 51–55definición, 25, 57, 93descripción, 63–64, 57–58,

60–61diagrama de, 25, 57elementos de buen diseño, 74barrita nutritiva, 39–43

proporción, 91proteínas, 41, 94prótesis. Ver también partes

artificiales del cuerpo; biónica; prótesis específicas.mano biónica, 51, 51–55definición, 12piernas, 12, 12, 16pies ortopédicos, 13

prototipo, 19, 94proyecto del “increíble hombre

biónico”, 11

Qquemar calorías, 42

Rrayos X

articulación artificial de cadera, 23

brazo fracturado, 7resolución de problemas,

ejemplo, 4–5resolución de problemas. Ver

resolución de problemas.respiración celular, 93restricciones

corazón artificial, 16definición, 93bomba de insulina, 16piernas ortopédicas, 16

revistas. Ver cuadernos de ciencias.riesgo, 94robótica, 51, 94. Ver también

partes artificiales del cuerpo; biomimetismo; biónica; prótesis.

SSI (Sistema Internacional de

Unidades), 77–78, 77–78. Ver también sistema métrico.

simbiosis, 94sistema de circuito cerrado, 14Sistema Internacional de Unidades

(SI), 77–78, 77–78. Ver también sistema métrico.

sistema métrico. Ver también SI (Sistema Internacional de Unidades).definición, 94prefijos, 78, 78en los Estados Unidos, 77–78unidades, 77–78unidades de longitud. Ver

metro (m).unidades de masa. Ver gramo (g).unidades de volumen. Ver litro (l).

sistemas, 91Spirogyra (algas), 76

Ttasa, 94tecnología

definición, 32, 95efectos en la sociedad, 36–37

temperatura, 95tendones, 48, 95transferencia de energía, 93transformación de energía, 93tubería, eliminación de

desechos, 17, 17

Vvalores diarios recomendados (VD),

nutrición alimentaria, 43, 43válvula aórtica, 27, 27, 93válvula cardíaca artificial, 30, 30válvula cardíaca mecánica, 30, 30variable controlada, 93variable dependiente, 93variable independiente, 94variable probada, 95variable, 22, 95VD (valores diarios), nutrición

alimentaria, 43, 43ventaja, 93volumen, 95

APÉNDICE A APÉNDICE A

BIOINGENIERÍA 101

APÉNDICE A

Abreviaturas: ar (arriba), m (medio), ab (abajo), i (izquierda), d (derecha), c (centro)

Todas las ilustraciones fueron realizadas por Seventeenth Street Studios.

Foto de portada y apertura de unidad: ©Michael Steele/Staff/Getty Images

Página 7 ©Peter Burkel; página 10 ©Amelie-Benoist/Getty Images; página 11 ©Kris Connor/Stringer/Getty Images; página 12 ©Michael Steele/Staff/Getty; página 14 ©Medtronic; página 15 cortesía: Syncardia.com; página 17 ©Chris Gallagher/Science Source; página 23 ©NIADDK, 9AO4 (Connie Raab-contacto), NIH; página 30 i: ©Pirke/Shutterstock; d: ©MedicImage/Getty Images; página 31 ©Sean Gallup/Staff/Getty Images; página 32 ©Fogarty Institute for Innovation/The Ferolyn Fund; página 34 ©Crulina 98/Wikimedia Commons; página 35 ©Bettmann/Contributor/Getty Images; página 36 ©John Fedele/Getty Images; página 39 ©Smneedham/Getty Images; página 45 i: ©Alan y Sandy Carey/Getty Images; d: ©Photolink/Getty Images; imágenes de la página 47 de John Quick, fotografiadas para SEPUP; imágenes de la página 48 de John Quick, fotografiadas para SEPUP; página 51 ©Simon Fraser University/University Communications

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CIENCIAS Y CUESTIONES Ingeniería biomédica DE LA VIDA · 2020-03-16 · los puntos de vista de la...

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