A sabedoria convencional diz que a eletrônica e a água não se misturam: você sabe disso mesmo que seu celular nunca tenha escorregado de sua mão para a banheira. Por isso, com algum alarme no verão passado, observei John A. Rogers alegremente atirando água em um circuito integrado.
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O alvo de John Rogers é nada menos que a fronteira entre homem e máquina. (Ilustração fotográfica de Timothy Archibald) 
Maravilhas tecnológicas saindo da pesquisa de Rogers incluem uma câmera inspirada no olho de um inseto. (John Rogers, Instituto Beckman, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign) 
Uma calota craniana que monitora a gravidade das colisões na cabeça. (Foto cedida por MC10) 
A pesquisa de John Roger criou um eletrodo que se molda ao cérebro. (John Rogers, Instituto Beckman, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign) 
Antes de construir dispositivos para o corpo, a equipe de Rogers testou materiais tão diversos quanto o silício e o nitreto de gálio. (John Rogers, Instituto Beckman, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign) 
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Estávamos em um laboratório na Universidade de Illinois, em Urbana-Champaign, e Rogers - um cientista de materiais lá, e a imagem da integridade em polo nítido, calças cáqui e anel de escoteiro - haviam se beneficiado de um frasco de spray genérico. O circuito, um oscilador de rádio, brilhava em cima de um trecho de grama artificial que alguns pós-docs criaram como pano de fundo.
A primeira borrifada de água fez com que o circuito se enrolasse lentamente, como um pedaço de papel que acabara de pegar fogo. Quando Rogers borrifou novamente, o circuito se agachou e caiu sobre si mesmo. Os granulados seguintes foram golpes mortais: o circuito e seu suporte de seda transparente se transformaram em uma bola líquida, que escorria por uma longa lâmina de grama. O que segundos antes tinha sido uma peça funcional de eletrônica com diodos, indutores e transistores de silício não era mais visível - ou longo para este mundo - do que uma gota de orvalho matinal.
"Sim, é muito divertido", diz Rogers, que tem 46 anos e tem a maneira sincera de o cara da casa ao lado. Mas isso não era truque de sala de estar. Rogers e sua equipe de pesquisadores desenharam o circuito da “transitoriedade”: nasceu para morrer. E, como Rogers vê, isso poderia lançar a eletrônica em águas inexploradas na medicina, nos estudos ambientais e na segurança nacional. Em breve, poderemos ver sensores que rastreiam a pressão sangüínea na aorta após uma cirurgia cardíaca e, em seguida, dissolver quando o paciente estiver fora da floresta. Ou um celular não-tóxico nós descarregamos de propósito quando estamos prontos para uma atualização. Ou tecnologia de campo de batalha sensível que se torna plop-plop-fizz-fizz antes de cair nas mãos do inimigo. "Nossa esperança é que há muito valor nisso", diz ele. "Não é apenas uma curiosidade".
A eletrônica transitória pode ser a invenção mais alucinante que ainda não saiu do laboratório de Rogers, uma fábrica de idéias cuja taxa de publicação nas principais revistas científicas é igualada apenas por sua produção de aparelhos que chamam a atenção. Rogers, que ocupa uma das cadeiras mais altas da universidade, tem compromissos em cinco departamentos. Ele também dirige o Laboratório de Pesquisa de Materiais Frederick Seitz da escola. Ele é autor ou co-autor de dezenas de artigos na maioria dos anos, muitos para periódicos famosos como Science e Nature . Mas seu laboratório, apesar de toda a sua ciência séria, poderia facilmente ser um lote para o homem biônico.
Rogers e seus colaboradores construíram invólucros de eletrônicos que parecem de celofane e envolvem as superfícies onduladas do coração. Eles criaram câmeras em forma de globo ocular que imitam a visão humana e de insetos, e fios suaves de minúsculos LEDs que podem ser injetados diretamente no cérebro. Durante minha visita, um pós-doutorado me mostrou uma tatuagem temporária de pele com infusão de transístor - "eletrônica epidérmica" - que poderia liberar os pacientes do hospital do emaranhado de fios e sensores que mantêm os médicos a par dos sinais vitais.
Rogers chegou ao estrelato no mundo científico não apenas por sonhar com essas idéias, mas também por descobrir como construí-las. Muitos de seus insights são o produto de uma desconsideração estudada por noções de status quo sobre circuitos baseados em silício.
Rigidez, rigidez e durabilidade são os pilares da eletrônica moderna. Eles são incorporados em seu próprio vocabulário: micro chip, estado sólido, placa de circuito. Para 90% das coisas que os eletrônicos fazem hoje, isso pode ser bom. Rogers está interessado nos outros 10%: ele quer tornar o hardware macio - macio o suficiente para os contornos móveis, inchados e pulsantes do corpo humano e do mundo natural. Seu alvo é nada menos que a fronteira entre homem e máquina. O cérebro "é como gelatina e é dinâmico no tempo e se movimenta", diz Rogers. "Um chip de silício é completamente incompatível em geometria e mecânica, e não pode acomodar o movimento sem restringir esse movimento."
Claro, uma sonda eletrônica pode ser afundada no tecido cerebral. "Mas agora você tem uma agulha em uma tigela de gelatina que está circulando por aí." Quem iria querer isso?
Por um curto período, Rogers, como outros pesquisadores, viu os circuitos plásticos como a solução. Mas a flexibilidade do plástico veio no que se revelou ser um grande custo: eletricamente era 1.000 vezes mais lento que o silício, a super estrela dos semicondutores. “Você não pode fazer nada que exija uma operação sofisticada e de alta velocidade”, diz ele.
Então ele deu um segundo olhar ao silício. Ele logo desenvolveu uma técnica para cortá-lo em lençóis tão finamente finos - 100 nanômetros, ou um milésimo tão fino quanto um cabelo humano - que fez algo que poucos sonharam ser possível: flexionou, torceu e, quando enfiado em um padrão serpenteante, até mesmo esticado. Então ele foi mais longe. Em um artigo de capa da Science no ano passado, ele anunciou que se você tornasse o silício ainda mais fino - 35 nanômetros - ele se dissolveria completamente em fluidos biológicos ou água em questão de dias.
A espessura de um milímetro da bolacha de silício convencional, Rogers sabia, não tinha nada a ver com condutividade: o peso está lá principalmente para que os robôs possam movê-lo pelos vários estágios de fabricação sem quebrar.
"Você tem essa indústria gigantesca baseada em eletrônicos baseados em wafer e, por essa razão, as pessoas tradicionalmente olham para o silício e dizem: 'Bem, não é flexível, temos que desenvolver um material diferente para circuitos flexíveis'", diz ele. “Mas se você pensar mais no nível da mecânica, perceberá rapidamente que não é o silício que é o problema, é a bolacha que é o problema. E se você conseguir se livrar dos materiais subjacentes de silício que não estão envolvidos na operação do circuito, você ficará com uma folha muito fina de silício ”, tão flexível quanto o papel de folhas soltas.
No final de um dia de trabalho em julho, Rogers entrou em uma sala de conferências ao lado de seu escritório e saiu alguns minutos depois usando calções esportivos, meias brancas e tênis. Antes de sairmos do campus para conhecer a esposa e o filho de tênis em um parque público, ele me deu uma visita ao seu escritório, cujas estantes estavam repletas de demonstrações de suas invenções, envoltas em caixas de jóias de plástico., "Sensor de proximidade em luva de vinil", "células solares extensíveis", "LED trançado".
Rogers deixa de lado a idéia de que seus eletrônicos flexíveis e elásticos representam algum tipo de salto quântico. "Nosso material é realmente apenas mecânica newtoniana", diz ele. Seu silício é para um wafer fabricado em fábrica, o que uma folha de papel é para duas por quatro: o mesmo salame, apenas cortado muito mais fino.
"Um dos pontos fortes de John é que ele reconhece como utilizar uma tecnologia que já existe em uma forma altamente desenvolvida e acrescentar algo novo a ela, para que tenha novas aplicações", diz George Whitesides, renomado químico de Harvard, em cujo laboratório Rogers trabalhou como um pós-doc. "Ele é extraordinariamente criativo nessa lacuna entre ciência e engenharia".
Os circuitos transitórios de Rogers são revestidos em proteína de seda, que protege os componentes eletrônicos do líquido e pode ser formulado para dissolver em poucos segundos ou alguns anos. Dentro da seda estão os componentes do circuito cujos materiais - silício, magnésio - se decompõem em substâncias químicas encontradas em algumas vitaminas e antiácidos. (Em um discurso para um grupo de engenharia em dezembro passado, Rogers engoliu um de seus circuitos em um desafio. "Tem gosto de frango", ele brincou com a platéia).
Anos de ensaios clínicos, seguidos de aprovações regulatórias, aguardam qualquer introdução desses dispositivos no corpo humano e, precisamente, como ligar e conectar-se sem fio a eles, é uma área de estudo ativo. Mas os mundos da ciência, dos negócios e do governo foram notados cedo e com frequência. Em 2009, a Fundação MacArthur, ao conceder a ele uma bolsa de “gênio”, chamou seu trabalho de “a base para uma revolução na fabricação de eletrônicos industriais, de consumo e biocompatíveis”. Dois anos depois, ele ganhou o Prêmio Lemelson-MIT, um tipo. de Oscar para inventores. Cada um veio com um cheque de US $ 500.000.
Para colher seu vasto portfólio de patentes, Rogers foi co-fundador de quatro empresas iniciantes. Eles levantaram dezenas de milhões de dólares em capital e estão de olho nos mercados - biomedicina, energia solar, esportes, monitoramento ambiental e iluminação - tão ecléticos quanto seus impulsos criativos. No início deste ano, uma empresa, a MC10, em parceria com a Reebok, lançou seu primeiro produto: Checklight, uma calota craniana com circuitos flexíveis de silicone, usável sozinho ou sob capacetes de futebol americano ou de hóquei, que alerta os jogadores sobre possíveis impactos na cabeça com um piscar de olhos LEDs.
***
Rogers nasceu em 1967 em Rolla, Missouri, o mais velho de dois filhos. Dois anos depois, no dia em que seu pai, John R. Rogers, terminou os exames orais para um doutorado em física na universidade estadual, a família entrou em um carro para Houston. O laboratório da Texaco havia contratado o pai para procurar petróleo, procurando acusticamente formações rochosas subterrâneas.
Sua mãe, Pattiann Rogers, ex-professora, ficou em casa enquanto os meninos eram jovens e escreviam poesia, frequentemente sobre ciência e natureza.
A família se instalou no subúrbio de Houston, em Stafford, em uma nova subdivisão que limitava o pasto. John e seu irmão mais novo, Artie, se aventurariam pelos campos e voltavam horas depois com cobras, tartarugas e um zoológico de "varmints", sua mãe me disse.
Pattiann alimentou a fascinação de seus filhos com a natureza, participando de suas aventuras ao ar livre e muitas vezes anotando notas posteriores. Ela iria publicar mais de uma dúzia de livros e ganhar cinco prêmios de carrinho de mão, bem como uma bolsa de estudos Guggenheim.
Quando perguntei se algum de seus poemas foi inspirado ao assistir John quando menino, ela me direcionou para "Conceitos e seus corpos (o menino no campo sozinho)", sobre a interseção do mistério natural e da abstração científica.
"Olhando para o olho da tartaruga de lama / Long suficiente, ele vê a concentricidade lá", começa.
Rogers disse-me que as conversas de jantar na infância “variavam da física e da ciência com o meu pai, e aspectos mais inspiradores da ciência através da minha mãe. Incentivou a noção de que a criatividade e as artes são uma parte natural da ciência. Não apenas a execução, mas as implicações e percepções que fluem dela também. ”
Rogers, que frequentou escolas públicas e se tornaria um Eagle Scout, entrou em sua primeira feira de ciências na quarta série com "este gigantesco refletor parabólico que poderia aproveitar o sol do Texas e simplesmente torná-lo nuclear em termos do poder que você poderia gerar". quinto ano, ele ganhou uma feira de âmbito distrital com uma caixa de espelhos e fontes de luz que criaram a ilusão de um homem entrar em um OVNI.
Ele terminou o curso tão rapidamente que grande parte do seu último ano do ensino médio foi um estudo independente. Com supercomputadores no laboratório de seu pai e resmas de dados sonoros sem profundidade, ele escreveu novos algoritmos para mapear o fundo do oceano e descobriu uma língua salgada gigante no fundo do Golfo do México. Os resultados renderam a Rogers uma série de bolsas universitárias em uma feira de ciências em Houston, realizada naquele ano no Astrodome.
Nos seus tempos de graduação na Universidade do Texas, em Austin, ele se inscreveu para trabalhar no laboratório de um professor de química. Trabalhou ombro a ombro com pesquisadores seniores em meio a todo aquele vidro cintilante e ficou enfeitiçado. Hoje ele separa de 30 a 50 vagas para alunos de graduação em seus próprios laboratórios, quase tantos quanto o restante do departamento de ciência de materiais combinados. "Eu não preciso olhar para notas: se eles querem, eles estão em", diz ele. "Isso mostra a eles que a instrução em sala de aula é importante para a ciência, mas não é a própria ciência."
Ele se formou em química e física em Austin e, em seguida, ganhou mestrado nos mesmos assuntos no MIT. Keith Nelson, um especialista em óptica do MIT, ficou tão impressionado com o prodigioso registro inicial de Rogers que deu o passo incomum de escrever uma carta, pedindo que ele fizesse um doutorado. "Ele só tinha tantos indicadores que ele poderia alcançar coisas incríveis na ciência", diz Nelson.
Em seu segundo ou terceiro ano de pós-graduação, Rogers encontrou maneiras de simplificar os métodos de Nelson. Em um exemplo notável, ele substituiu uma teia de feixes de raios cruzados e espelhos cuidadosamente inclinados - usados para estudar o amortecimento de ondas sonoras - com uma única máscara difrativa de luz que alcançou os mesmos resultados com um feixe em uma fração do tempo.
Alguém já pensou nisso antes? Eu perguntei a Nelson. “Eu posso te dizer que deveríamos ter percebido isso antes, mas o fato é que não o fizemos. E não me refiro apenas a nós ”, disse ele. "Eu quero dizer todo o campo."
Por seu PhD, Rogers desenvolveu uma técnica para avaliar as propriedades de filmes finos, submetendo-os a pulsos de laser. As pessoas na indústria de semicondutores começaram a prestar atenção antes mesmo de ele sair da pós-graduação. Para o controle de qualidade, as fábricas precisam de medições exatas das camadas internas ultrafinas de um microchip à medida que são depositadas. O método predominante - tocar as camadas com uma sonda - não era apenas lento; também arrisca quebrar ou sujar o chip. A abordagem a laser de Rogers ofereceu uma solução tentadora.
Em seu último ano no MIT, Rogers e um colega de classe recrutaram alunos da Sloan School of Management da escola e escreveram um plano de negócios de 100 páginas. Nelson entrou em contato com um vizinho que era um capitalista de risco e, em pouco tempo, o grupo tinha investidores, um CEO e reuniões no Vale do Silício.
A mudança da sala de aula para a sala de reuniões nem sempre foi suave. Em uma reunião na Tencor, uma empresa de testes de chips, Rogers projetou a transparência após a transparência das equações e da teoria.
"Pare, isso é demais", interrompeu um executivo da Tencor. "Por que você não me diz o que pode medir e eu lhe direi se podemos usá-lo."
Rogers passou por sua lista: rigidez, delaminação, velocidade do som longitudinal, transferência térmica, coeficiente de expansão.
Não, não se importe, não, não, o executivo disse. E quanto a espessura? Você pode fazer aquilo?
Bem, sim, Rogers disse, embora fosse o único critério que ele nem sequer citou em seu plano de negócios.
É o que eu quero, o executivo disse.
"Esse foi um momento seminal em todas as nossas vidas", lembra Matthew Banet, o colega de classe do MIT que co-fundou a startup e agora é diretor de tecnologia de uma empresa de software e dispositivos médicos. "Nós voltamos com nossas caudas entre as pernas."
De volta a Cambridge, eles passaram meses mexendo no sistema de laser até fazer exatamente o que Tencor queria: medir variações de espessura tão minúsculas quanto um décimo de um angstrom - ou um centésimo de um bilionésimo de metro.
O dar e receber entre a indústria e o inventor era revelador. Rogers viu que “às vezes o impulso tecnológico impulsiona a compreensão científica, e não o contrário.” Ele e seus colegas já haviam publicado trabalhos sobre a técnica de laser, mas os requisitos de Tencor os forçaram a voltar à prancheta “entender muito mais sobre a óptica e física e acústica e processamento de sinal.
“Colocou toda a pesquisa científica no contexto de algo que poderia ter valor além da publicação em um periódico científico”.
A startup de laser da Rogers, a Active Impulse Systems, levantou US $ 3 milhões em capital de risco e vendeu sua primeira unidade, a InSite 300, em 1997. Em agosto de 1998, três anos após sua fundação, a empresa foi adquirida pela Phillips Electronics por US $ 29. milhão.
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Se o laboratório de Keith Nelson ensinou Rogers a medir, o laboratório de George Whitesides em Harvard ensinou-o a construir. Rogers foi para lá em 1995, logo depois de receber seu doutorado. A paixão de Whitesides na época era a litografia suave, uma técnica para usar um carimbo de borracha para imprimir padrões de tinta de espessura de moléculas. Rogers logo viu seu potencial para circuitos de tinta em superfícies curvas, como o cabo de fibra óptica. Essa ideia - e as patentes e documentos que se seguiram - lhe renderam uma oferta de trabalho do Bell Labs, o lendário braço de pesquisa da AT & T, no norte de Nova Jersey. A esposa de Rogers, Lisa Dhar, colega de química física e colega de turma do MIT que ele havia se casado em 1996, já estava trabalhando lá; eles estavam conduzindo um relacionamento de longa distância.
"Para mim, era como o paraíso", diz ele da Bell Labs, pioneira no transistor, no laser e em linguagens de programação como C. "Fui atraído pela interface entre ciência e tecnologia". Levou a grandes demissões no Bell Labs e, em seguida, veio outra bomba: um jovem pesquisador no departamento de Rogers havia fabricado dados para um conjunto de importantes jornais, um escândalo que produziu manchetes nacionais. Rogers decidiu seguir em frente - para a Universidade de Illinois, diz ele, por causa de seu departamento de engenharia e recursos profundos para pesquisa interdisciplinar. (Além disso, um bebê - seu único filho, John S. - estava a caminho, e a família de sua esposa era de Chicago.)
Em pouco tempo, Rogers reuniu um grupo de pesquisa com 25 pós-doutorandos, 15 estudantes de pós-graduação e várias dezenas de alunos de graduação. O tamanho do grupo permitia colaborações tão diversas que poderiam ser chamadas de promíscuas. Durante minha visita de três dias, Rogers teve reuniões ou teleconferências com um especialista em nanotubos da Universidade de Lehigh; um cardiologista da Universidade do Arizona; um especialista em imagens térmicas no National Institutes of Health; uma equipe de físicos teóricos que tinha carona da Northwestern University; e um professor de moda que viera do Instituto de Arte de Chicago para falar sobre roupas com bordas de LED.
Durante uma das vagas de meia hora em que ele divide seu dia de trabalho de 13 horas, assistimos a cinco alunos de graduação fazerem apresentações de slides com tempo exato sobre seus projetos de pesquisa de verão. Rogers, com as pernas saltando sob a mesa como se estivesse correndo em direção a alguma nova revelação, fez perguntas aos alunos, tirou uma foto de grupo e deu cartões de presente para os principais apresentadores - tudo antes de a meia hora acabar.
Whitesides me disse que Rogers está aliviado pela síndrome do "não inventado aqui", que aflige muitos cientistas, que temem que as colaborações de algum modo maculam sua originalidade. "A opinião de John é que, se é uma boa ideia, ele está perfeitamente feliz em usá-lo de uma maneira nova."
"Muitos dos avanços mais importantes em pesquisa estão acontecendo nas fronteiras entre as disciplinas tradicionais", diz Rogers. Seu artigo na Science sobre transientes eletrônicos lista 21 coautores, de seis universidades, três países e uma empresa de consultoria comercial.
Os alunos inspiraram algumas de suas invenções mais conhecidas. Depois de ouvir Rogers falar sobre litografia suave, perguntou-se se a tecnologia já havia carimbado o silício, em vez de apenas moléculas de tinta. "Ele não tinha a menor ideia de como fazer isso, mas jogou tudo como uma pergunta: o tipo de pergunta que um estudante do primeiro ano faria."
O problema que Rogers enfrentou foi: como transformar silício duro em um bloco de tinta esponjoso? De uma série de experimentos, ele descobriu que, se você cortasse um lingote de silício em bolachas em um ângulo não ortodoxo e depois lavasse a bolacha em uma solução química específica, poderia amaciar uma fina camada superficial que sairia como uma tinta. O padrão - um elemento de circuito, por exemplo - poderia ser levantado e impresso em outra superfície.
"Ninguém havia feito isso antes", diz Christopher Bettinger, cientista de materiais da Carnegie Mellon. Entre os muitos enigmas técnicos que Rogers desembaraçou, disse ele, estava "viscosidade reversível".
"Se você lamber o dedo e colocá-lo no açúcar de confeiteiro, pode pegar açúcar de confeiteiro", disse Bettinger, por analogia. “Mas como você coloca o açúcar em outra coisa?” Rogers fez isso com uma mudança de velocidade: para pintar o selo, toque e levante rapidamente; Para inscrever-se em uma nova superfície, toque e levante-a lentamente. A descoberta permitiu-lhe implantar “nanomembranas” de silício em qualquer lugar: plásticos e borracha, para a sua electrónica tipo tatuagem, e seda, para os dissolúveis. Ele descobriu que poderia até mesmo carimbar circuitos diretamente na pele.
Aleksandr Noy, um especialista em bioeletrônica do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, me disse que a estatura de Rogers é um produto de “artigos, discursos e discursos convidados”, mas também de algo intangível: “o fator legal”.
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O dinheiro para o trabalho de eletrônica transiente de Rogers vem principalmente da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (Darpa), uma unidade do Departamento de Defesa que financia algumas das ideias mais loucas da ciência.
Rogers, que tem autorização de segurança do governo, diz que Darpa quer que ele permaneça fiel a aplicativos militares específicos. "Mas você pode imaginar", diz ele. Eu não precisei. Um comunicado de imprensa de janeiro de 2013 no site da Darpa é explícito sobre os objetivos do programa “Vanishing Programmable Resources”, que submeteu a pesquisa de Rogers: A agência está procurando maneiras de lidar com rádios, telefones, sensores remotos e outros eletrônicos sofisticados. “espalhados pelo campo de batalha” depois das operações militares dos EUA. Se capturado pelo inimigo, esse lixo eletrônico poderia “comprometer a vantagem tecnológica estratégica do DoD.
"E se esses eletrônicos simplesmente desaparecessem quando não fossem mais necessários?", Diz o comunicado.
Sem dúvida Q - o chefe de laboratório do serviço secreto britânico nos filmes de 007 - ficaria impressionado. Rogers, por sua vez, parece muito animado com os aplicativos sobre os quais ele pode falar. Ele e seus colegas imaginam sensores que rastreiam vazamentos de óleo por um período pré-definido e depois se dissolvem em água do mar, e celulares com circuitos não-tóxicos que biodegradam em vez de envenenar aterros sanitários - e não deixam cartões de memória para coletar dados pessoais. Eles também vêem um baú de dispositivos médicos: “stents inteligentes” que relatam quão bem uma artéria está se curando; uma bomba que titula o medicamento em tecido de difícil acesso; “Eletrocêuticos” que combatem a dor com pulsos elétricos ao invés de drogas.
Um benefício da “transitoriedade” em implantes médicos temporários é que pouparia aos pacientes o custo, o incômodo e os riscos à saúde de uma segunda cirurgia para recuperar os dispositivos. Mas Rogers diz que o objetivo é menos substituir a tecnologia in vivo existente - como marcapassos, implantes cocleares ou estimuladores cerebrais profundos - do que levar a eletrônica para onde nunca estiveram antes.
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Não muito tempo atrás, Rogers voou com sua família para Malta, onde seu irmão trabalha como designer de videogames. Rogers tinha visto alguns linguados durante o mergulho, e no táxi da praia até a casa do irmão, sua mãe, Pattiann, o poeta, ficou maravilhada com a evolução dos peixes com os olhos nas costas. "As várias maneiras que a vida encontrou para sobreviver", disse ela ao filho, dirigindo a conversa em uma direção mística. "Por que é que?"
Seu filho estava tão curioso sobre o linguado, mas por razões que tinham pouco a ver com a metafísica.
"Não é o porquê ", disse ele. "É o como : como eles fizeram isso?"
