Aplicaciones en ámbitos tan diversos como las energías renovables, la medicina, la climatización, la industria textil, los cerramientos con cristales, la seguridad o la industria del agua, entre otros

Diseño sostenible. Biomimetismo

García Castillo, I. y Domínguez, M. Ingeniería del Diseño. UNED12/03/2013

El diseño biomimético (del griego, “vida” y “mímesis”) básicamente consiste en una imitación de los modelos, sistemas, procesos y elementos existentes en la naturaleza para resolver problemas humanos eficientemente. Pero esta imitación no se limita simplemente a copiar los colores de una planta o un animal, sino a analizarlo más profundamente para extraer posibles soluciones. A continuación trataremos de desarrollar de una manera más profunda, para entender mejor, lo que hoy en día significa diseño sostenible basado en el biomimetismo.

Diseño sostenible. Biomimetismo

El biomimetismo trata de crear nuevos materiales a través de dos caminos fundamentales: el análisis de los tejidos y estructura interna de los diseños naturales biológicos, y el análisis del funcionamiento de las proteínas naturales complejas.

La naturaleza se considera un sistema sostenible ya que usa y recicla sus recursos de forma eficiente y continua, al contrario que la mayoría de nuestra forma de vida y tecnología, en la que desechamos o dañamos los recursos requeridos. Para poder considerar auténtico el biomimetismo, debería de poseer la misma sostenibilidad que la naturaleza. Por ello hay corrientes que insisten en que un proyecto de biomimetismo debe hacer mucho más que imitar el diseño y eficiencia de la naturaleza, también se deberían seguir criterios en medioambiente y sostenibilidad. De lo contrario estaríamos haciendo algo totalmente opuesto a los principios que persiguen esta nueva tendencia.

Inventos basados en el biomimetismo

El biomimetismo, como un proceso de innovación, generalmente desciende de dos posibles direcciones. Unas veces el diseñador ve un proceso en la naturaleza y lo conecta a una tecnología o problema ya existente. Otras veces se estudia un problema de diseño existente y se recurre a la naturaleza para buscar ayuda. Aquí es donde el biomimetismo sirve como puente entre la biología y la ingeniería. Una vez descubierta una forma que tiene la naturaleza de hacer lo que queremos solucionar, el siguiente desafío es coger esa lección y aplicarla en nuestro diseño.

La biólogo Janine M. Benyus (Benyus, 1997) se ha convertido en una de sus principales representantes. Además de ser la presidenta del Biomimicry Institute, organización que promueve el estudio y la imitación de la naturaleza para mejorar los diseños humanos, ha recopilado decenas de ejemplos de diseño biomimético con sus publicaciones. Esta recopilación es sólo una pequeña parte de los desarrollos que ha propiciado el biomimetismo.

Velcro.

El velcro

Quizás una de las aplicaciones más conocidas de la biomimética es el velcro. George de Mestral, inventó en 1941 el velcro imitando la forma en que determinadas semillas se adherían al pelo del ganado.

Consiste en dos tipos de cintas de poliamida (nylon 66), uno llamado gancho, cubierto por cientos de garfios delgados (aproximadamente 50 unidades por cm²), y otro llamado lazo, formado por cientos de rizos delgados (también aproximadamente 50 unidades por cm²).

Superficies antisuciedad

En 1982 el botánico Wilhelm Barthlott, de la Universidad de Bonn en Alemania, descubrió que la flor de loto tiene una superficie que se limpia a sí misma y es repelente al agua. Una situación similar sucede con las hojas del berro. El secreto consiste en que las hojas del loto o el berro tienen una superficie rugosa (granulada) sólo perceptible con el microscopio. Estos gránulos, consistente en cristales de cera natural, tienen un tamaño de entre 200 y 5.000 µ m. Esta textura le proporciona una elevada tensión superficial, haciendo que las gotas de agua adquieran forma esférica. Así, las gotas no se depositan, al no encontrar ningún punto de apoyo sobre el material, y en su desplazamiento arrastran el polvo y la suciedad.

Barthlott patentó su descubrimiento llamándole el ‘efecto loto’. Se encontró aplicación comercial en productos como la pintura biomimética Lotusan. La pintura tiene la reputación de ser repelente al agua y resistir manchas por décadas.

Trajes de baño imitando la piel de los tiburones

Otra de las aplicaciones también conocidas de la biomimética es la que llevó al diseño de los trajes de baño de competición bajo la imitación de la piel de los tiburones. La piel de los escualos está cubierta por pequeñas escamas dentadas llamadas dentículos dérmicos, el agua corre sobre esa superficie reduciendo la fricción. La firma Speedo fue la pionera en la fabricación de esos trajes con los que los nadadores rompieron varios records mundiales en los Campeonatos Mundiales de Natación del año 2009.

Los dentículos dérmicos, además, hacen que sea difícil que los crustáceos y algas se adhieran a la piel del tiburón. Esa característica ha hecho que se estén haciendo recubrimientos sintéticos con esa estructura para aplicarlos a los cascos de las naves e impedir las incrustaciones que tanto dinero cuestan en mantenimiento de los barcos.

Sistemas de ventilación de edificios inspirados en los montículos que fabrican las termitas

Los constructores necesitan una manera más barata de ventilar edificios grandes. Existen unas termitas africanas, que deben mantener en su nido una temperatura de 90 °C para que no mueran las larvas. Para conseguirlo, construyen aberturas de ventilación muy específicas que constantemente están moviendo el aire a través del nido, calentando o enfriando el nido a su propia temperatura.

Los arquitectos e ingenieros utilizan ya esta técnica imitando al complejo sistema de las termitas. Un ejemplo de ello es el edificio Eastgate en Harare, Zimbabwe.

Material similar a la pata del geco

El geco es un pequeño lagarto que tiene la particularidad de disponer de unas patas capaces de adherirse a cualquier superficie. Esto es gracias a que las plantas de las patas del geco disponen de pelos microscópicos que, gracias a la carga eléctrica opuesta entre las moléculas de los micropelillos y las moléculas de la superficie donde se encuentran, hacen que su adhesión sea perfecta. Los científicos han estudiado a fondo dicho mecanismo natural del lagarto geco y quieren sacar al mercado nuevos materiales que permitan desde guantes más adherentes hasta material médico con mejores calidades.

Cutícula de los insectos de los insectos

Un grupo de investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada Biológicamente, en la Universidad de Harvard, han desarrollado un nuevo material que imita la fuerza, resistencia y versatilidad de la cutícula de los insectos. El material llamado shrilk es similar en resistencia y dureza a una aleación de aluminio, pero con solo la mitad de peso. Es biodegradable y se puede producir a bajo coste, ya que la quitina está disponible como un producto de desecho del camarón.

Este material puede ser una alternativa barata y ambientalmente segura del plástico. Además al ser excepcionalmente fuerte y biocompatible, podría ser utilizado para suturar heridas que llevan grandes cargas, como en la reparación de una hernia o como un soporte para la regeneración de tejidos.

Agua a partir del aire del desierto

El stenocara gracilipes es un escarabajo que vive en el desierto de Namibia. Para sobrevivir, obtiene el agua a partir de las minúsculas gotas que se producen por la condensación de la humedad del aire a primera hora de la mañana. Su exoesqueleto posee una estructura recubierta de protuberancias en forma de cúpula dispuestas de forma hexagonal. Las pequeñas gotas del rocío se condensan en el extremo liso de las protuberancias y, al acumularse, caen por el caparazón en pendiente recubierto de cera directamente a la boca del insecto.

Una solución en este ámbito es la planteada por Edward Linacre, de la Universidad Tecnológica de Melbourne. El Airdrop, que así se llama el invento, parte del principio de que hasta el aire más seco contiene moléculas de agua que pueden ser recolectadas disminuyendo su temperatura hasta el punto de condensación. El artilugio bombea el aire fresco procedente de unos tubos enterrados para enfriar una superficie donde se condensan el agua. El invento es capaz de extraer hasta 11,5 ml de agua por cada m3 de aire del desierto más seco. Actualmente funciona con energía solar, aunque futuras versiones podrían funcionar también con energía eólica.

Cristales protectores de las aves

Los pájaros no pueden ver los cristales y las ventanas de los edificios son la principal causa de muerte de las aves en todo el mundo. Pero ya existe una especie de cristal inspirado en las telas de las arañas, el cristal Ornilux, fabricado por una empresa alemana, Arnold Glas. El cristal utiliza las mismas técnicas que usan las arañas para fabricar su tela y evitar que los pájaros se estrellen contra las mismas.

Un tratamiento ultravioleta convierte el cristal en algo visible a las aves, sin afectar a la visión de los humanos. Además, este recubrimiento reduce el riesgo de colisión un 75%, resultando más efectivo incluso que usar pegatinas.

Lo que ve el ojo humano - Lo que ven los pájaros

Aves y trenes de alta velocidad

El objetivo del proyecto era evitar el brusco estallido contra el aire que se produce cuando sale un tren bala japonés a toda velocidad de un túnel. Los investigadores se fijaron en cómo se zambulle en el agua, a toda velocidad, un martín pescador. La forma de su pico fue la solución que copiaron.

Imitación del pico del martín pescador

Mariposas y visores de pantallas

Los modernos LED incluyen espejos para reflejar la luz y micro orificios que dejan pasar la luz atrapada en el interior del dispositivo por difusión lateral. Las mariposas también disponen de esta adaptación, emitiendo luz verde-azulada empleando un pigmento. Esas increíbles estructuras reflejan la luz en función de la distinta longitud de onda.

El mismo principio se aplica para crear visores de pantalla más brillantes, más legibles y con menor consumo de energía en los dispositivos electrónicos.

Aletas de ballenas aplicadas en palas de aerogeneradores

El biomimetismo del océano opera también para las turbinas fuera del agua. El presidente de WhalePower, Frank E. Fish, se fijó en la forma de las aletas de las ballenas para aplicarla a las palas de sus aerogeneradores.

El resultado son palas que utilizan los mismos principios físicos que esas aletas, con un menor nivel de ruido y una mayor eficiencia en la generación de energía eólica.

Aletas de ballenas aplicadas en palas de aerogeneradores.

Aplicación del biomimetismo en medicina

Cada año mueren millones de niños a causa de enfermedades fácilmente prevenibles con vacunas, tales como el sarampión o la rubéola. Además, la mitad de las vacunas se pierden debido a la ruptura de la cadena en frío entre el laboratorio y el lugar de entrega.

La myrothamnus flabellifolia es una planta que crece en el centro y sur de África. Posee unos tejidos que tienen la capacidad de deshidratarse y después revivir sin afecciones gracias a una sustancia azucarada producida por sus células. La compañía Cambridge Biostability ha desarrollado vacunas que no necesitan ser mantenidas en frío basándose en estas sustancias azucaradas llamadas trehalosas.

Las vacunas son vaporizadas con un recubrimiento de theralosa. Así, se forman esferas inertes o gotas azucaradas que se pueden envasar de forma inyectable y mantenerse en un maletín de doctor durante meses y meses.

Conclusiones

Ya de por sí la naturaleza es un mundo fascinante por descubrir y que nos sorprende cada día. Pero, además, la naturaleza nos da pautas de comportamiento que pueden ayudarnos a resolver problemas técnicos complejos, y a solucionar problemas de diseño muy sofisticados.

Muy probablemente podríamos vivir en un mundo más sano, más ecointeligente y más eficaz solo si antes de tomar una decisión se hiciera solo una pregunta: ¿cómo lo solucionaría la naturaleza?

El planteamiento es tratar de imitar a la naturaleza porque ésta funciona, como lo ha demostrado a lo largo de casi 4.500 millones de años.

Aunque estas afirmaciones deben parecer evidentes, en cierto modo son una utopía ya que el ser humano intenta las más de las veces buscar soluciones complejas allá donde lo idóneo puede ser una solución sencilla.

No cabe duda de que se debería profundizar más de lo que se hace hoy en día en el ámbito de la biomímesis, ya que al ser una ciencia relativamente nueva, aún quedan muchos campos desconocidos y que podrían ser aplicables a otras técnicas o ramas tanto de la ciencia, como del diseño.

Referencias

- Benyus, Janine. Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. William Morrow. 1997.

- Martin, Amy. Ask the Planet. The Biomimicry Institute. 2009.

- Schneider, Michael. The Beginner’s Guide to Constructing the Universe: The Mathematical Archetypes of Nature. Art and Science. HarperCollins. 1995

Páginas en internet

- http://www.faircompanies.com/news/view/5-tipologias-diseno-sostenible-c2cbiomimetico-y-mas/

- http://www.cosmosmagazine.com/news/3178/top-eight-biomimicry-innovations

- http://cpdm.iisc.ernet.in/ideaslab/

- http://www.ted.com/talks/janine_benyus_biomimicry_in_action.html

- http://www.asknature.org/

- http://www.cienciapopular.com/n/Tecnologia/Biomimetismo/Biomimetismo.php

- http://www.infoener.com/biomimetismo-para-innovar-en-produccion-de-energia/67