Biomimética
Imitación de sistemas biológicos para la solución de problemas humanos
Los pequeños ganchos de los frutos rojos (izquierda) inspiraron la cinta de velcro (derecha).
Los axones gigantes del calamar costero de aleta larga ( Doryteuthis pealeii ) fueron cruciales para que los científicos comprendieran el potencial de acción . [1]

La biomimética o biomimética es la emulación de los modelos, sistemas y elementos de la naturaleza con el fin de resolver problemas humanos complejos. [2] [3] [4] Los términos "biomimética" y "biomimética" se derivan del griego antiguo : βίος ( bios ), vida, y μίμησις ( mīmēsis ), imitación, de μιμεῖσθαι ( mīmeisthai ), imitar, de μῖμος ( mimos ), actor. Un campo estrechamente relacionado es la biónica . [5]

La naturaleza ha evolucionado a lo largo de los 3.800 millones de años transcurridos desde que se estima que apareció la vida en la Tierra. [6] Ha desarrollado especies con un alto rendimiento utilizando materiales que se encuentran comúnmente. Las superficies de los sólidos interactúan con otras superficies y el medio ambiente y derivan las propiedades de los materiales. Los materiales biológicos están altamente organizados desde la escala molecular hasta las nano, micro y macroescalas, a menudo de manera jerárquica con una nanoarquitectura intrincada que, en última instancia, compone una miríada de elementos funcionales diferentes. [7] Las propiedades de los materiales y las superficies son el resultado de una interacción compleja entre la estructura y la morfología de la superficie y las propiedades físicas y químicas. Muchos materiales, superficies y objetos en general proporcionan multifuncionalidad.

Los ingenieros, científicos de materiales , químicos y biólogos han fabricado diversos materiales, estructuras y dispositivos con fines comerciales , y los artistas y arquitectos, por su belleza, estructura y diseño. La naturaleza ha resuelto problemas de ingeniería como la capacidad de autocuración, la tolerancia y resistencia a la exposición ambiental, la hidrofobicidad , el autoensamblaje y el aprovechamiento de la energía solar . El impacto económico de los materiales y superficies bioinspirados es significativo, del orden de varios cientos de miles de millones de dólares al año en todo el mundo.

Historia

Uno de los primeros ejemplos de biomimetismo fue el estudio de las aves para permitir el vuelo humano . Aunque nunca tuvo éxito en la creación de una "máquina voladora", Leonardo da Vinci (1452-1519) fue un agudo observador de la anatomía y el vuelo de las aves, y realizó numerosas notas y bocetos sobre sus observaciones, así como bocetos de "máquinas voladoras". [8] Los hermanos Wright , que lograron volar el primer avión más pesado que el aire en 1903, supuestamente se inspiraron en las observaciones de palomas en vuelo. [9]

El diseño de Leonardo da Vinci para una máquina voladora con alas se basaba estrechamente en la estructura de las alas de un murciélago.

Durante la década de 1950, el biofísico y polímata estadounidense Otto Schmitt desarrolló el concepto de "biomimética". [10] Durante su investigación doctoral, desarrolló el disparador Schmitt estudiando los nervios de los calamares, intentando diseñar un dispositivo que replicara el sistema biológico de propagación nerviosa . [11] Continuó centrándose en dispositivos que imitaran los sistemas naturales y en 1957 había percibido una contraposición a la visión estándar de la biofísica en ese momento, una visión que llegaría a llamar biomimética. [10]

La biofísica no es tanto una disciplina como un punto de vista. Es un enfoque de los problemas de la ciencia biológica que utiliza la teoría y la tecnología de las ciencias físicas. Por el contrario, la biofísica es también un enfoque de los biólogos de los problemas de la ciencia física y la ingeniería, aunque este aspecto ha sido en gran medida descuidado.

—  Otto Herbert Schmitt, En agradecimiento, toda una vida de conexiones [12]

En 1960, Jack E. Steele acuñó un término similar, biónica , en la base aérea Wright-Patterson en Dayton, Ohio, donde también trabajaba Otto Schmitt. Steele definió la biónica como "la ciencia de los sistemas que tienen alguna función copiada de la naturaleza, o que representan características de los sistemas naturales o sus análogos". [5] [13] Durante una reunión posterior en 1963, Schmitt afirmó:

Consideremos qué ha llegado a significar la biónica en términos operativos y qué debería significar ésta o alguna palabra similar (prefiero biomimética) para hacer un buen uso de las habilidades técnicas de los científicos que se especializan, o más bien debería decir, se desespecializan en esta área de investigación.

—  Otto Herbert Schmitt, En agradecimiento, toda una vida de conexiones: Otto Herbert Schmitt, 1913 - 1998

En 1969, Schmitt utilizó el término "biomimético" en el título de uno de sus artículos, [14] y en 1974 ya había encontrado su lugar en el Diccionario Webster . La biónica entró en el mismo diccionario antes en 1960 como "una ciencia relacionada con la aplicación de datos sobre el funcionamiento de los sistemas biológicos a la solución de problemas de ingeniería". Biónica adquirió una connotación diferente cuando Martin Caidin hizo referencia a Jack Steele y su trabajo en la novela Cyborg que más tarde resultó en la serie de televisión de 1974 El hombre de los seis millones de dólares y sus derivados. El término biónico luego se asoció con "el uso de partes corporales artificiales operadas electrónicamente" y "tener poderes humanos ordinarios aumentados por o como por la ayuda de tales dispositivos". [15] Debido a que el término biónico asumió la implicación de fuerza sobrenatural, la comunidad científica en los países de habla inglesa lo abandonó en gran medida. [16]

El término biomimetismo apareció en 1982. [17] La ​​biomimetismo fue popularizada por la científica y autora Janine Benyus en su libro Biomimicry: Innovation Inspired by Nature (Biomimética: innovación inspirada por la naturaleza ) de 1997. La biomimetismo se define en el libro como una "nueva ciencia que estudia los modelos de la naturaleza y luego imita o se inspira en estos diseños y procesos para resolver problemas humanos". Benyus sugiere considerar a la naturaleza como un "modelo, medida y mentor" y enfatiza la sostenibilidad como un objetivo de la biomimetismo. [18]

Uno de los ejemplos más recientes de biomimetismo ha sido creado por Johannes-Paul Fladerer y Ernst Kurzmann con la descripción de "managemANT". [19] Este término (una combinación de las palabras "management" y "ant") describe el uso de estrategias de comportamiento de las hormigas en estrategias económicas y de gestión. [20] Los posibles impactos a largo plazo del biomimetismo se cuantificaron en un informe del Fermanian Business & Economic Institute de 2013 encargado por el Zoológico de San Diego. Los hallazgos demostraron los posibles beneficios económicos y ambientales del biomimetismo, que se pueden ver más en el enfoque "managemANT" de Johannes-Paul Fladerer y Ernst Kurzmann. Este enfoque utiliza las estrategias de comportamiento de las hormigas en estrategias económicas y de gestión. [21]

Tecnologías bioinspiradas

En principio, la biomimética podría aplicarse en muchos campos. Debido a la diversidad y complejidad de los sistemas biológicos, la cantidad de características que podrían imitar es grande. Las aplicaciones biomiméticas se encuentran en diversas etapas de desarrollo, desde tecnologías que podrían volverse comercialmente utilizables hasta prototipos. [4] La ley de Murray , que en su forma convencional determinaba el diámetro óptimo de los vasos sanguíneos, se ha vuelto a derivar para proporcionar ecuaciones simples para el diámetro de tuberías o tubos que dan un sistema de ingeniería de masa mínima. [22]

Locomoción

El diseño aerodinámico del Shinkansen Serie 500 (izquierda) imita el pico de un pájaro martín pescador (derecha) para mejorar la aerodinámica.

El diseño de las alas de los aviones [23] y las técnicas de vuelo [24] se inspiran en los pájaros y los murciélagos. La aerodinámica del diseño aerodinámico del tren de alta velocidad japonés Shinkansen Serie 500 mejorado se modeló a partir del pico del pájaro martín pescador . [25]

Los biorobots basados ​​en la fisiología y métodos de locomoción de animales incluyen BionicKangaroo que se mueve como un canguro, ahorrando energía de un salto y transfiriéndola a su siguiente salto; [26] Kamigami Robots , un juguete para niños, imita la locomoción de las cucarachas para correr rápida y eficientemente sobre superficies interiores y exteriores, [27] y Pleobot, un robot inspirado en el camarón para estudiar la natación metacrónica y los impactos ecológicos de esta marcha propulsiva en el medio ambiente. [28]

Robots voladores biomiméticos (BFR)

Alas batientes del BFR en movimiento

Los BFR se inspiran en mamíferos, pájaros o insectos voladores. Los BFR pueden tener alas batientes, que generan la sustentación y el empuje, o pueden ser accionados por hélice. Los BFR con alas batientes tienen una mayor eficiencia de carrera, mayor maniobrabilidad y menor consumo de energía en comparación con los BFR accionados por hélice. [29] Los BFR inspirados en mamíferos y pájaros comparten características de vuelo y consideraciones de diseño similares. Por ejemplo, tanto los BFR inspirados en mamíferos como en pájaros minimizan el aleteo de los bordes y el rizo de las puntas de las alas inducido por la presión al aumentar la rigidez del borde y las puntas de las alas. Los BFR inspirados en mamíferos e insectos pueden ser resistentes a los impactos, lo que los hace útiles en entornos desordenados.

Los BFR inspirados en mamíferos suelen inspirarse en los murciélagos, pero la ardilla voladora también ha inspirado un prototipo. [30] Algunos ejemplos de BFR inspirados en murciélagos son Bat Bot [31] y DALER. [32] Los BFR inspirados en mamíferos pueden diseñarse para que sean multimodales; por lo tanto, son capaces tanto de volar como de moverse por tierra. Para reducir el impacto del aterrizaje, se pueden implementar amortiguadores a lo largo de las alas. [32] Alternativamente, el BFR puede inclinarse hacia arriba y aumentar la cantidad de resistencia que experimenta. [30] Al aumentar la fuerza de resistencia, el BFR desacelerará y minimizará el impacto al aterrizar. También se pueden implementar diferentes patrones de marcha terrestre. [30]

BFR inspirado en libélula.

Los BFR inspirados en aves pueden inspirarse en aves rapaces, gaviotas y todo lo que se encuentre entre medio. Los BFR inspirados en aves pueden emplumarse para aumentar el rango del ángulo de ataque sobre el cual el prototipo puede operar antes de entrar en pérdida. [33] Las alas de los BFR inspirados en aves permiten la deformación en el plano, y la deformación del ala en el plano se puede ajustar para maximizar la eficiencia del vuelo dependiendo de la marcha del vuelo. [33] Un ejemplo de un BFR inspirado en una rapaz es el prototipo de Savastano et al. [34] El prototipo tiene alas batientes completamente deformables y es capaz de transportar una carga útil de hasta 0,8 kg mientras realiza un ascenso parabólico, un descenso pronunciado y una recuperación rápida. El prototipo inspirado en la gaviota de Grant et al. imita con precisión la rotación del codo y la muñeca de las gaviotas, y descubren que la generación de sustentación se maximiza cuando las deformaciones del codo y la muñeca son opuestas pero iguales. [35]

Los BFR inspirados en insectos generalmente se inspiran en escarabajos o libélulas. Un ejemplo de un BFR inspirado en escarabajos es el prototipo de Phan y Park, [36] y un BFR inspirado en libélulas es el prototipo de Hu et al. [37] La ​​frecuencia de aleteo de los BFR inspirados en insectos es mucho mayor que la de otros BFR; esto se debe a la aerodinámica del vuelo de los insectos . [38] Los BFR inspirados en insectos son mucho más pequeños que los inspirados en mamíferos o aves, por lo que son más adecuados para entornos densos. El prototipo de Phan y Park se inspiró en el escarabajo rinoceronte, por lo que puede continuar volando con éxito incluso después de una colisión deformando sus alas traseras.

Arquitectura biomimética

Los seres vivos se han adaptado a un entorno en constante cambio durante la evolución a través de la mutación, la recombinación y la selección. [39] La idea central de la filosofía biomimética es que los habitantes de la naturaleza, incluidos los animales, las plantas y los microbios, son los que tienen más experiencia en la solución de problemas y ya han encontrado las formas más apropiadas de perdurar en el planeta Tierra. [40] De manera similar, la arquitectura biomimética busca soluciones para construir la sostenibilidad presente en la naturaleza. Si bien la naturaleza sirve como modelo, hay pocos ejemplos de arquitectura biomimética que apunten a ser positivos para la naturaleza. [41]

El siglo XXI ha sido testigo de un desperdicio omnipresente de energía debido a diseños de edificios ineficientes, además de la sobreutilización de energía durante la fase operativa de su ciclo de vida. [42] Al mismo tiempo, los recientes avances en técnicas de fabricación, imágenes computacionales y herramientas de simulación han abierto nuevas posibilidades para imitar la naturaleza en diferentes escalas arquitectónicas. [39] Como resultado, ha habido un rápido crecimiento en el diseño de enfoques y soluciones de diseño innovadores para contrarrestar los problemas energéticos. La arquitectura biomimética es uno de estos enfoques multidisciplinarios del diseño sustentable que sigue un conjunto de principios en lugar de códigos estilísticos, yendo más allá de usar la naturaleza como inspiración para los componentes estéticos de la forma construida, sino que busca usar la naturaleza para resolver problemas de funcionamiento del edificio y ahorro de energía.

Características

El término arquitectura biomimética se refiere al estudio y aplicación de principios de construcción que se encuentran en entornos y especies naturales, y que se traducen en el diseño de soluciones sustentables para la arquitectura. [39] La arquitectura biomimética utiliza la naturaleza como modelo, medida y mentor para brindar soluciones arquitectónicas en diferentes escalas, que se inspiran en organismos naturales que han resuelto problemas similares en la naturaleza. El uso de la naturaleza como medida se refiere a utilizar un estándar ecológico para medir la sustentabilidad y la eficiencia de las innovaciones creadas por el hombre, mientras que el término mentor se refiere al aprendizaje de principios naturales y al uso de la biología como fuente de inspiración. [18]

Por otra parte, la arquitectura biomórfica, también denominada biodecoración, [39] se refiere al uso de elementos formales y geométricos que se encuentran en la naturaleza como fuente de inspiración para las propiedades estéticas de la arquitectura diseñada, y no necesariamente tienen funciones no físicas o económicas. Un ejemplo histórico de arquitectura biomórfica se remonta a las culturas egipcia, griega y romana, que utilizaban formas de árboles y plantas en la ornamentación de columnas estructurales. [43]

Procedimientos

Dentro de la arquitectura biomimética se pueden identificar dos procedimientos básicos, a saber, el enfoque de abajo a arriba (biology push) y el enfoque de arriba a abajo (technology pull). [44] La frontera entre los dos enfoques es difusa y existe la posibilidad de transición entre ambos, dependiendo de cada caso individual. La arquitectura biomimética se lleva a cabo típicamente en equipos interdisciplinarios en los que biólogos y otros científicos naturales trabajan en colaboración con ingenieros, científicos de materiales, arquitectos, diseñadores, matemáticos y científicos informáticos.

En el enfoque ascendente, el punto de partida es un nuevo resultado de la investigación biológica básica que prometa una aplicación biomimética. Por ejemplo, el desarrollo de un sistema de material biomimético después del análisis cuantitativo de las propiedades mecánicas, físicas y químicas de un sistema biológico.

En el enfoque de arriba hacia abajo, se buscan innovaciones biomiméticas para desarrollos ya existentes que se han establecido con éxito en el mercado. La cooperación se centra en la mejora o el desarrollo de un producto existente.

Ejemplos

Los investigadores estudiaron la capacidad de las termitas para mantener una temperatura y una humedad prácticamente constantes en sus termiteros en África a pesar de que las temperaturas exteriores varían de 1,5 a 40 °C (34,7 a 104,0 °F). Los investigadores escanearon inicialmente un termitero y crearon imágenes en 3D de la estructura del mismo, que revelaron una construcción que podría influir en el diseño de edificios humanos . El Eastgate Centre , un complejo de oficinas de mediana altura en Harare , Zimbabwe , [45] se mantiene fresco mediante una arquitectura de refrigeración pasiva que utiliza solo el 10% de la energía de un edificio convencional del mismo tamaño.

Ensamblaje de una fachada de doble piel de Waagner-Biro en One Angel Square , Manchester . Se puede ver cómo se ensambla la fachada exterior marrón a la fachada blanca interior mediante puntales. Estos puntales crean una pasarela entre ambas "capas" para ventilación, protección solar y mantenimiento.

Los investigadores de la Universidad La Sapienza de Roma se inspiraron en la ventilación natural de los montículos de termitas y diseñaron una fachada doble que reduce significativamente las áreas sobreiluminadas de un edificio. Los científicos han imitado la naturaleza porosa de las paredes de los montículos diseñando una fachada con paneles dobles que fue capaz de reducir el calor obtenido por radiación y aumentar la pérdida de calor por convección en la cavidad entre los dos paneles. La carga total de refrigeración sobre el consumo de energía del edificio se redujo en un 15%. [46]

Una inspiración similar se extrajo de las paredes porosas de los termiteros para diseñar una fachada ventilada naturalmente con un pequeño espacio de ventilación. Este diseño de fachada es capaz de inducir el flujo de aire debido al efecto Venturi y hace circular continuamente aire ascendente en la ranura de ventilación. Se observó una transferencia significativa de calor entre la superficie de la pared externa del edificio y el aire que fluye sobre ella. [47] El diseño se combina con la ecologización de la fachada. La pared verde facilita un enfriamiento natural adicional a través de la evaporación, la respiración y la transpiración de las plantas. El sustrato vegetal húmedo refuerza aún más el efecto de enfriamiento. [48]

Sepiolita en forma sólida

Los científicos de la Universidad de Shanghái lograron replicar la compleja microestructura de la red de conductos de arcilla en el montículo para imitar el excelente control de la humedad en los montículos. Propusieron un material de control de humedad poroso (HCM) que utiliza sepiolita y cloruro de calcio con un contenido de adsorción-desorción de vapor de agua de 550 gramos por metro cuadrado. El cloruro de calcio es un desecante y mejora la propiedad de adsorción-desorción de vapor de agua del Bio-HCM. El Bio-HCM propuesto tiene un régimen de mesoporos entre fibras que actúa como un mini depósito. La resistencia a la flexión del material propuesto se estimó en 10,3 MPa mediante simulaciones computacionales. [49] [50]

En ingeniería estructural, la Escuela Politécnica Federal de Suiza ( EPFL ) ha incorporado características biomiméticas en un puente "tensegrity" adaptable y desplegable. El puente puede realizar autodiagnóstico y autorreparación. [51] La disposición de las hojas de una planta se ha adaptado para una mejor captación de energía solar. [52]

El análisis de la deformación elástica que se produce cuando un polinizador se posa sobre la parte de la flor Strelitzia reginae (conocida como flor del paraíso ) que parece una vaina ha inspirado a arquitectos y científicos de la Universidad de Friburgo y la Universidad de Stuttgart a crear sistemas de sombreado sin bisagras que puedan reaccionar a su entorno. Estos productos de inspiración biológica se venden bajo el nombre de Flectofin. [53] [54]

Otros sistemas bioinspirados sin bisagras incluyen Flectofold. [55] Flectofold se inspiró en el sistema de captura desarrollado por la planta carnívora Aldrovanda vesiculosa .

Materiales estructurales

Existe una gran necesidad de nuevos materiales estructurales que sean livianos pero que ofrezcan combinaciones excepcionales de rigidez , resistencia y tenacidad .

Estos materiales necesitarían ser fabricados en materiales a granel con formas complejas en gran volumen y bajo costo y servirían para una variedad de campos como la construcción, el transporte, el almacenamiento y la conversión de energía. [56] En un problema de diseño clásico, es más probable que la resistencia y la tenacidad sean mutuamente excluyentes, es decir, los materiales fuertes son frágiles y los materiales duros son débiles. Sin embargo, los materiales naturales con gradientes de materiales complejos y jerárquicos que abarcan desde nanoescalas hasta macroescalas son fuertes y duros. Generalmente, la mayoría de los materiales naturales utilizan componentes químicos limitados pero arquitecturas de materiales complejas que dan lugar a propiedades mecánicas excepcionales. Comprender los materiales biológicos altamente diversos y multifuncionales y descubrir enfoques para replicar tales estructuras conducirá a tecnologías avanzadas y más eficientes. El hueso , el nácar (caparazón de abulón), los dientes, las mazas dáctilas de los camarones estomatópodos y el bambú son excelentes ejemplos de materiales tolerantes al daño. [57] La ​​excepcional resistencia a la fractura del hueso se debe a complejos mecanismos de deformación y endurecimiento que operan en diferentes escalas de tamaño: desde la estructura a nanoescala de las moléculas de proteína hasta la escala fisiológica macroscópica. [58]

Imagen de microscopía electrónica de una superficie fracturada de nácar.

El nácar exhibe propiedades mecánicas similares, pero con una estructura más simple. El nácar muestra una estructura similar a la de ladrillo y mortero con una capa mineral gruesa (0,2–0,9 μm) de estructuras de aragonito muy compactas y una matriz orgánica delgada (~20 nm). [59] Si bien ya se producen películas delgadas y muestras de tamaño micrométrico que imitan estas estructuras, aún no se ha logrado la producción exitosa de materiales estructurales biomiméticos a granel. Sin embargo, se han propuesto numerosas técnicas de procesamiento para producir materiales similares al nácar. [57] Las células del pavimento , células epidérmicas en la superficie de las hojas y los pétalos de las plantas, a menudo forman patrones entrelazados ondulados que se asemejan a piezas de rompecabezas y se ha demostrado que mejoran la tenacidad a la fractura de las hojas, clave para la supervivencia de las plantas. [60] También se demostró que su patrón, replicado en muestras de poli(metilmetacrilato) grabadas con láser , conduce a una mayor tenacidad a la fractura. Se sugiere que la disposición y el patrón de las células juegan un papel en el manejo de la propagación de grietas en los tejidos. [60]

La mineralización biomórfica es una técnica que produce materiales con morfologías y estructuras similares a las de los organismos vivos naturales, utilizando bioestructuras como plantillas para la mineralización. En comparación con otros métodos de producción de materiales, la mineralización biomórfica es sencilla, respetuosa con el medio ambiente y económica. [61]

Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley emplearon la fundición por congelación (plantilla de hielo), un método económico para imitar estructuras naturales en capas, para crear compuestos en capas de alúmina-Al-Si y IT HAP-epoxi que coinciden con las propiedades mecánicas del hueso con un contenido mineral/orgánico equivalente. [62] Varios estudios posteriores [63] [64] [65] [66] también emplearon métodos similares para producir compuestos de alta resistencia y alta tenacidad que involucraban una variedad de fases constituyentes.

Estudios recientes demostraron la producción de estructuras de tejido macroscópico cohesivas y autoportantes que imitan los tejidos vivos mediante la impresión de decenas de miles de gotitas de picolitros heterólogas en geometrías tridimensionales a escala milimétrica definidas por software. [67] También se están realizando esfuerzos para imitar el diseño de nácar en materiales compuestos artificiales utilizando modelos de deposición fundida [68] y las estructuras helicoidales de mazas de estomatópodos en la fabricación de compuestos de fibra de carbono y epoxi de alto rendimiento. [69]

También se han utilizado varias tecnologías de fabricación aditiva novedosas y establecidas, como la impresión PolyJet, la escritura directa con tinta, la impresión magnética 3D, la impresión 3D asistida magnéticamente con múltiples materiales y la fundición asistida magnéticamente para imitar las complejas arquitecturas a microescala de los materiales naturales y brindar un gran alcance para futuras investigaciones. [70] [71] [72]

La seda de araña es más resistente que el kevlar utilizado en los chalecos antibalas . [73] En principio, los ingenieros podrían utilizar un material de este tipo, si pudiera rediseñarse para que tuviera una vida útil lo suficientemente larga, para líneas de paracaídas, cables de puentes colgantes, ligamentos artificiales para medicina y otros fines. [18] Los dientes autoafilables de muchos animales han sido copiados para fabricar mejores herramientas de corte. [74]

También se han creado nuevas cerámicas que presentan una histéresis electret gigante. [75]

Computadoras neuronales

Los ordenadores y sensores neuromórficos son dispositivos eléctricos que copian la estructura y la función de las neuronas biológicas para poder realizar cálculos. Un ejemplo de esto es la cámara de eventos , en la que sólo los píxeles que reciben una nueva señal se actualizan a un nuevo estado. Todos los demás píxeles no se actualizan hasta que se recibe una señal. [76]

Materiales autocurativos

En algunos sistemas biológicos, la autocuración se produce a través de liberaciones químicas en el lugar de la fractura, que inician una respuesta sistémica para transportar agentes reparadores al lugar de la fractura. Esto promueve la curación autónoma. [77] Para demostrar el uso de redes microvasculares para la curación autónoma, los investigadores desarrollaron una arquitectura de sustrato-recubrimiento microvascular que imita la piel humana. [78] Se desarrollaron hidrogeles de color estructural autorreparadores bioinspirados que mantienen la estabilidad de una estructura de ópalo inverso y sus colores estructurales resultantes. [79] Se desarrolló una membrana autorreparadora inspirada en procesos rápidos de autosellado en plantas para estructuras ligeras inflables como botes de goma o construcciones Tensairity. Los investigadores aplicaron un revestimiento delgado de espuma de poliuretano celular suave en el interior de un sustrato de tela, que cierra la grieta si la membrana se perfora con una púa. [80] Se han producido materiales autorreparadores , polímeros y materiales compuestos capaces de reparar grietas a partir de materiales biológicos. [81]

Las propiedades de autocuración también pueden lograrse mediante la ruptura y reformación de enlaces de hidrógeno bajo tensión cíclica del material. [82]

Superficies

Las superficies que recrean las propiedades de la piel de tiburón tienen como objetivo permitir un movimiento más eficiente en el agua. Se han hecho esfuerzos para producir telas que emulen la piel de tiburón. [22] [83]

Se están investigando biomiméticos de tensión superficial para tecnologías como recubrimientos hidrófobos o hidrófilos y microactuadores. [84] [85] [86] [87] [88]

Adhesión

Adherencia húmeda

Algunos anfibios, como las ranas arbóreas y de torrente y las salamandras arbóreas , pueden adherirse y moverse sobre ambientes húmedos o incluso inundados sin caerse. Este tipo de organismos tienen almohadillas para los dedos que están permanentemente mojadas por el moco secretado por glándulas que se abren en los canales entre las células epidérmicas. Se adhieren a las superficies de apareamiento por adhesión húmeda y son capaces de trepar sobre rocas húmedas incluso cuando el agua fluye sobre la superficie. [4] Las bandas de rodadura de los neumáticos también se han inspirado en las almohadillas de los dedos de las ranas arbóreas . [89] Se ha observado que los modelos de superficies jerárquicas impresos en 3D, inspirados en el diseño de las almohadillas de los dedos de las ranas arbóreas y de torrente, producen una mejor tracción en mojado que el diseño de neumáticos convencionales. [90]

Los mejillones marinos pueden adherirse de manera fácil y eficiente a las superficies bajo el agua en las duras condiciones del océano. Los mejillones utilizan filamentos fuertes para adherirse a las rocas en las zonas intermareales de las playas azotadas por las olas, evitando que sean arrastrados por fuertes corrientes marinas. Las proteínas del pie del mejillón unen los filamentos a las rocas, los barcos y prácticamente cualquier superficie de la naturaleza, incluidos otros mejillones. Estas proteínas contienen una mezcla de residuos de aminoácidos que se ha adaptado específicamente para fines adhesivos . Los investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara tomaron prestadas y simplificaron las químicas que utiliza el pie del mejillón para superar este desafío de ingeniería de la adhesión húmeda para crear copolianfolitos [91] y sistemas adhesivos de un componente [92] con potencial para su empleo en protocolos de nanofabricación . Otras investigaciones han propuesto un pegamento adhesivo a partir de mejillones .

Adherencia en seco

Las almohadillas de sujeción de las patas de varios animales, incluidos muchos insectos (por ejemplo, escarabajos y moscas ), arañas y lagartijas (por ejemplo, gecos ), son capaces de adherirse a una variedad de superficies y se utilizan para la locomoción, incluso en paredes verticales o en techos. Los sistemas de sujeción en estos organismos tienen estructuras similares en sus elementos terminales de contacto, conocidos como setas . Estos ejemplos biológicos han servido de inspiración para producir robots trepadores, [ cita requerida ] botas y cinta adhesiva. [93] También se han desarrollado setas sintéticas para la producción de adhesivos secos.

Repelencia a líquidos

La superliquifobicidad se refiere a una propiedad notable de la superficie por la cual una superficie sólida exhibe una aversión extrema a los líquidos, lo que hace que las gotas se acumulen y se deslicen casi instantáneamente al entrar en contacto con ellos. Este comportamiento surge de las intrincadas texturas de la superficie y las interacciones a escala nanométrica, lo que evita de manera efectiva que los líquidos se humedezcan o se adhieran a la superficie. El término "superliquifobico" se deriva de " superhidrofóbico ", que describe superficies altamente resistentes al agua. Las superficies superliquifobicas van más allá de la repelencia al agua y muestran características repelentes hacia una amplia gama de líquidos, incluidos aquellos con una tensión superficial muy baja o que contienen surfactantes. [2] [94]

La superliquifobicidad, un fenómeno notable, surge cuando una superficie sólida posee una rugosidad diminuta, formando interfaces con gotas a través de la humectación mientras se alteran los ángulos de contacto. Este comportamiento depende del factor de rugosidad (R f ), que define la relación entre el área sólido-líquido y su proyección, lo que influye en los ángulos de contacto. En superficies rugosas, los líquidos no humectantes dan lugar a interfaces compuestas sólido-líquido-aire, cuyos ángulos de contacto están determinados por la distribución de las áreas húmedas y de las bolsas de aire. El logro de la superliquifobicidad implica aumentar el área geométrica plana fraccional (f LA ) y R f , lo que conduce a superficies que repelen activamente los líquidos. [95] [96]

La inspiración para la elaboración de estas superficies se basa en el ingenio de la naturaleza, ilustrado de forma destacada por el famoso " efecto loto ". Las hojas de plantas hidrófugas, como el loto, presentan estructuras jerárquicas inherentes que presentan formaciones recubiertas de cera a escala nanométrica. [97] [98] Estas estructuras conducen a la superhidrofobicidad, donde las gotas de agua se posan sobre burbujas de aire atrapadas, lo que da como resultado ángulos de contacto altos y una histéresis mínima del ángulo de contacto. Este ejemplo natural guía el desarrollo de superficies superliquifóbicas, que aprovechan las geometrías reentrantes que pueden repeler líquidos con baja tensión superficial y lograr ángulos de contacto casi nulos. [99]

La creación de superficies superliquifóbicas implica combinar geometrías reentrantes con materiales de baja energía superficial, como sustancias fluoradas. Estas geometrías incluyen salientes que se ensanchan debajo de la superficie, lo que permite la repelencia incluso para ángulos de contacto mínimos. Los investigadores han fabricado con éxito varias geometrías reentrantes, lo que ofrece una vía para aplicaciones prácticas en diversos campos. Estas superficies encuentran utilidad en la autolimpieza, antihielo, antivaho, antiincrustaciones y más, presentando soluciones innovadoras para desafíos en biomedicina, desalinización y conversión de energía.

En esencia, la superliquifobicidad, inspirada en modelos naturales como la hoja de loto, aprovecha las geometrías reentrantes y las propiedades de la superficie para crear interfaces que repelen activamente los líquidos. Estas superficies son muy prometedoras en una amplia gama de aplicaciones y prometen una funcionalidad y un rendimiento mejorados en diversos contextos tecnológicos e industriales.

Óptica

Los materiales biomiméticos están ganando cada vez más atención en el campo de la óptica y la fotónica . Aún se conocen muy pocos productos bioinspirados o biomiméticos que involucren las propiedades fotónicas de plantas o animales. Sin embargo, comprender cómo la naturaleza diseñó dichos materiales ópticos a partir de recursos biológicos es un campo de investigación actual.

Imagen macroscópica de una película de suspensión de nanocristales de celulosa moldeada en una placa de Petri (diámetro: 3,5 cm)

Inspiración en frutas y plantas

Una fuente de inspiración biomimética son las plantas . Se ha demostrado que las plantas son generaciones de conceptos para las siguientes funciones: acoplamiento de reacción, autoadaptabilidad, autorreparación y autonomía energética. Como las plantas no tienen una unidad centralizada de toma de decisiones (es decir, un cerebro), la mayoría de las plantas tienen un sistema autónomo descentralizado en varios órganos y tejidos de la planta. Por lo tanto, reaccionan a múltiples estímulos como la luz, el calor y la humedad. [100]

Un ejemplo es la especie de planta carnívora Dionaea muscipula (Venus atrapamoscas). Durante los últimos 25 años, la investigación se ha centrado en los principios de movimiento de la planta para desarrollar AVFT (robots atrapamoscas artificiales). A través del movimiento durante la captura de presas, la planta inspiró sistemas de movimiento robótico suave. El rápido pandeo (dentro de 100-300 ms) del movimiento de cierre de la trampa se inicia cuando la presa activa los pelos de la planta dentro de un tiempo determinado (dos veces en 20 s). Existen sistemas AVFT, en los que los movimientos de cierre de la trampa se activan mediante magnetismo, electricidad, aire presurizado y cambios de temperatura. [100]

Otro ejemplo de plantas imitadoras es la Pollia condensata , también conocida como baya de mármol. El autoensamblaje quiral de celulosa inspirado en la baya de Pollia condensata se ha explotado para hacer películas ópticamente activas. [101] [102] Estas películas están hechas de celulosa, que es un recurso biodegradable y de base biológica obtenido de la madera o el algodón. Los colores estructurales pueden ser potencialmente duraderos y tener un color más vibrante que los obtenidos de la absorción química de la luz. Pollia condensata no es la única fruta que muestra una piel de color estructural; la iridiscencia también se encuentra en bayas de otras especies como Margaritaria nobilis . [103] Estas frutas muestran colores iridiscentes en la región azul-verde del espectro visible que le da a la fruta una apariencia visual fuerte, metálica y brillante. [104] Los colores estructurales provienen de la organización de las cadenas de celulosa en el epicarpio de la fruta , una parte de la piel de la fruta. [104] Cada célula del epicarpio está hecha de una envoltura multicapa que se comporta como un reflector de Bragg . Sin embargo, la luz que se refleja desde la piel de estas frutas no está polarizada, a diferencia de la que surge de réplicas hechas por el hombre obtenidas del autoensamblaje de nanocristales de celulosa en helicoides, que solo reflejan luz polarizada circularmente hacia la izquierda . [105]

Los frutos de Elaeocarpus angustifolius también muestran un color estructural que surge de la presencia de células especializadas llamadas iridosomas que tienen estructuras en capas. [104] También se han encontrado iridosomas similares en frutos de Delarbrea michieana . [104]

En las plantas, las estructuras multicapa se pueden encontrar ya sea en la superficie de las hojas (encima de la epidermis), como en Selaginella willdenowii [104] o dentro de orgánulos intracelulares especializados , los llamados iridoplastos, que se encuentran dentro de las células de la epidermis superior. [104] Por ejemplo, las plantas de la selva tropical Begonia pavonina tienen iridoplastos ubicados dentro de las células epidérmicas. [104]

También se han encontrado colores estructurales en varias algas, como en el alga roja Chondrus crispus (musgo irlandés). [106]

Inspiración de los animales

Mariposa morfo.
El color azul vibrante de la mariposa Morpho debido a la coloración estructural ha sido imitado por una variedad de tecnologías.

La coloración estructural produce los colores del arco iris de las burbujas de jabón , las alas de las mariposas y muchas escamas de escarabajos. [107] [108] La separación de fases se ha utilizado para fabricar membranas de dispersión ultrablancas a partir de polimetilmetacrilato , imitando al escarabajo Cyphochilus . [109] Las luces LED se pueden diseñar para imitar los patrones de escamas en el abdomen de las luciérnagas , mejorando su eficiencia. [110]

Las alas de la mariposa Morpho están coloreadas estructuralmente para producir un azul vibrante que no varía con el ángulo. [111] Este efecto puede ser imitado por una variedad de tecnologías. [112] Lotus Cars afirma haber desarrollado una pintura que imita elcolor azul estructural de la mariposa Morpho . [113] En 2007, Qualcomm comercializó unatecnología de visualización de modulador interferométrico , "Mirasol", utilizando interferencia óptica similar a la de Morpho . [114] En 2010, la modista Donna Sgro hizo un vestido deMorphotex de Teijin Fibers , una tela sin teñir tejida a partir de fibras coloreadas estructuralmente, imitando la microestructura de las escamas de las alas de la mariposa Morpho . [115] [116] [117] [118] [119]

El revestimiento de estructura SubWavelength de Canon Inc. utiliza estructuras en forma de cuña del tamaño de la longitud de onda de la luz visible. Las estructuras en forma de cuña provocan un índice de refracción que cambia continuamente a medida que la luz viaja a través del revestimiento, lo que reduce significativamente el destello de la lente . Esto imita la estructura del ojo de una polilla. [120] [121] Figuras notables como los hermanos Wright y Leonardo da Vinci intentaron replicar el vuelo observado en las aves. [122] En un esfuerzo por reducir el ruido de las aeronaves, los investigadores han observado el borde delantero de las plumas de los búhos, que tienen una serie de pequeñas aletas o raquis adaptados para dispersar la presión aerodinámica y proporcionar un vuelo casi silencioso al ave. [123]

Sistemas agrícolas

El pastoreo holístico planificado , que utiliza cercas y/o pastores , busca restaurar los pastizales mediante una planificación cuidadosa de los movimientos de grandes manadas de ganado para imitar las enormes manadas que se encuentran en la naturaleza. El sistema natural que se imita y se utiliza como modelo es el pastoreo de animales concentrados por depredadores en manada que deben seguir adelante después de comer, pisotear y abonar un área, y regresar solo después de que se haya recuperado por completo. Su fundador, Allan Savory, y algunos otros han afirmado que tiene potencial para mejorar el suelo, [124] aumentar la biodiversidad y revertir la desertificación . [125] Sin embargo, muchos investigadores han cuestionado la afirmación de Savory. Los estudios a menudo han encontrado que el método aumenta la desertificación en lugar de reducirla. [126] [127]

Otros usos

Algunos sistemas de aire acondicionado utilizan biomimetismo en sus ventiladores para aumentar el flujo de aire y reducir el consumo de energía. [128] [129]

Los tecnólogos como Jas Johl han especulado que la funcionalidad de las células vacuolas podría utilizarse para diseñar sistemas de seguridad altamente adaptables. [130] "La funcionalidad de una vacuola, una estructura biológica que protege y promueve el crecimiento, ilumina el valor de la adaptabilidad como principio rector de la seguridad". Las funciones y el significado de las vacuolas son de naturaleza fractal, el orgánulo no tiene forma o tamaño básico; su estructura varía según los requisitos de la célula. Las vacuolas no solo aíslan las amenazas, contienen lo necesario, eliminan los desechos y mantienen la presión, sino que también ayudan a la célula a escalar y crecer. Johl sostiene que estas funciones son necesarias para cualquier diseño de sistema de seguridad. [130] El Shinkansen de la serie 500 utilizó la biomimética para reducir el consumo de energía y los niveles de ruido al tiempo que aumentaba la comodidad de los pasajeros. [131] En referencia a los viajes espaciales, la NASA y otras empresas han buscado desarrollar drones espaciales de tipo enjambre inspirados en los patrones de comportamiento de las abejas, y drones terrestres oxtápodos diseñados con referencia a las arañas del desierto. [132]

Otras tecnologías

El plegamiento de proteínas se ha utilizado para controlar la formación de material para nanoestructuras funcionales autoensambladas . [133] El pelaje del oso polar ha inspirado el diseño de colectores térmicos y ropa. [134] Se han estudiado las propiedades refractarias de la luz del ojo de la polilla para reducir la reflectividad de los paneles solares. [135]

Micrografía electrónica de partículas TMV en forma de varilla
Micrografía electrónica de barrido de partículas del virus del mosaico del tabaco en forma de bastón

El potente aerosol repelente del escarabajo bombardero inspiró a una empresa sueca a desarrollar una tecnología de pulverización de "microniebla", que se afirma que tiene un bajo impacto en el carbono (en comparación con los aerosoles). El escarabajo mezcla sustancias químicas y libera su aerosol a través de una boquilla orientable en el extremo de su abdomen, picando y confundiendo a la víctima. [136]

La mayoría de los virus tienen una cápsula externa de 20 a 300 nm de diámetro. Las cápsulas de virus son notablemente robustas y capaces de soportar temperaturas de hasta 60 °C; son estables en el rango de pH de 2 a 10. [61] Las cápsulas virales se pueden utilizar para crear componentes de nanodispositivos como nanocables, nanotubos y puntos cuánticos. Las partículas virales tubulares como el virus del mosaico del tabaco (TMV) se pueden utilizar como plantillas para crear nanofibras y nanotubos, ya que tanto las capas internas como externas del virus son superficies cargadas que pueden inducir la nucleación del crecimiento de cristales. Esto se demostró a través de la producción de nanotubos de platino y oro utilizando TMV como plantilla. [137] Se ha demostrado que las partículas virales mineralizadas resisten varios valores de pH al mineralizar los virus con diferentes materiales como silicio, PbS y CdS y, por lo tanto, podrían servir como portadores útiles de material. [138] Un virus de planta esférico llamado virus del moteado clorótico del caupí (CCMV) tiene interesantes propiedades de expansión cuando se expone a entornos de pH superiores a 6,5. Por encima de este pH, 60 poros independientes con diámetros de aproximadamente 2 nm comienzan a intercambiar sustancia con el entorno. La transición estructural de la cápside viral se puede utilizar en la mineralización biomórfica para la captación y deposición selectiva de minerales mediante el control del pH de la solución. Las posibles aplicaciones incluyen el uso de la jaula viral para producir nanopartículas semiconductoras de puntos cuánticos de forma y tamaño uniformes a través de una serie de lavados de pH. Esta es una alternativa a la técnica de la jaula de apoferritina que se utiliza actualmente para sintetizar nanopartículas de CdSe uniformes. [139] Dichos materiales también se podrían utilizar para la administración dirigida de fármacos, ya que las partículas liberan su contenido al exponerse a niveles de pH específicos.

Véase también

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Lectura adicional

  • Benyus, JM (2001). Along Came a Spider . Sierra, 86(4), 46–47.
  • Hargroves, KD y Smith, MH (2006). Innovación inspirada en la naturaleza Biomimetismo . Ecos, (129), 27–28.
  • Marshall, A. (2009). Diseño salvaje: el proyecto ecomimético , North Atlantic Books: Berkeley.
  • Passino, Kevin M. (2004). Biomimetismo para optimización, control y automatización. Springer.
  • Pyper, W. (2006). Emulando la naturaleza: el auge de la ecología industrial . Ecos, (129), 22–26.
  • Smith, J. (2007). Es natural . The Ecologist, 37(8), 52–55.
  • Thompson, D'Arcy W. , On Growth and Form (Sobre el crecimiento y la forma ). Reimpresión de Dover 1992 de la 2.ª ed. de 1942 (1.ª ed., 1917).
  • Vogel, S. (2000). Patas de gato y catapultas: mundos mecánicos de la naturaleza y las personas . Norton.
  • Biomimética MIT
  • Sexo, velcro y biomimetismo con Janine Benyus
  • Janine Benyus: Biomimetismo en acción Archivado el 3 de abril de 2010 en Wayback Machine desde TED 2009
  • Diseño de la naturaleza - National Geographic
  • Michael Pawlyn: Cómo utilizar el genio de la naturaleza en la arquitectura, en TED 2010
  • Robert Full muestra cómo los ingenieros humanos pueden aprender de los trucos de los animales en TED 2002
  • El dibujo rápido: Biomimetismo de CBS News
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