JOSÉ GARCÍA CASCALLANA
Introducción a la ciencia denominada biomimética o biomímesis
(Ver parte I: Definición y conceptos de la biomimética)
Historia de la biomimética
Durante 3800 millones
años de investigación y desarrollo, la naturaleza ha creado sistemas y procesos
altamente eficientes que han aportado y pueden aportar soluciones a muchos de
los problemas de recursos en la actualidad (Hargroves
& Smith MH, 2006).
La seda es uno de los
primeros ejemplos de biomimetismo en la historia de la humanidad. El uso de
este material se remonta al 4000 a.C., convirtiéndolo en uno de los primeros
tejidos inventados por los seres humanos. Es bien sabido que proviene de los
gusanos de seda (bombyx mori) y que los
chinos fueron la primera civilización en utilizarlos (Schreiner, 2020).
El primer paraguas fue
inventado en China hace 1700 años por Lu
Ban (507-444 a.C.). La idea del paraguas aconteció cuando vio a los niños
usando hojas de loto (nelumbo nucifera)
para protegerse de la lluvia (Schreiner, 2020).
Los egipcios, griegos,
romanos y la civilización islámica, simulaban a la naturaleza pero también
aplicaban las leyes de manera científica a sus diseños, siendo armoniosos con
la naturaleza, adaptándose al entorno natural y utilizando los materiales de
los alrededores
(Ibrahim-Anous IH, 2015).
Leonardo Da Vinci (1452-1519) fue el primer investigador en biónica o ingeniería mecánica biomimética. Estudió la formación y el movimiento de las alas de los pájaros, trató de simularlas e inventó la máquina voladora (Ibrahim-Anous IH, 2015). Aplicó la biomímesis al estudio de las aves con la esperanza de realizar el vuelo humano mediante la observación de la anatomía y el vuelo de los pájaros proponiendo muchos bocetos de máquinas voladoras. Estas ideas, junto con las observaciones de palomas (columba livia) en vuelo, inspiraron a los hermanos Wright para efectuar el vuelo del primer avión en 1903 (Kennedy, 2017). Creó dibujos de máquinas voladoras inspiradas en aves y murciélagos (Kennedy, 2017). Diseñó barcos y aeronaves observando peces y pájaros (Darwan GAN & Osama, 2016). Ha sido una de las figuras más admiradas y estudiadas del Renacimiento italiano. Considerado como un experto científico, inventor, artista, arquitecto, matemático, fue un hombre considerado como muy adelantado para su tiempo. La parte de su trabajo que se relaciona con la biomímesis es el estudio de los pájaros y dibujó los esquemas de muchas máquinas voladoras que imitaban la estructura ósea de pájaros y murciélagos (chiroptera) (Schreiner, 2020). Escribió un códice sobre el vuelo de las aves, con el que especula que el viaje aéreo humano podría ser modelado por la mecánica del vuelo aviar. A lo largo de su vida, Leonardo produce más de 500 bocetos que trataban de la mecánica del vuelo (Scobey, 2014). Sobresalió en todos los campos y se inspiró en la naturaleza para crear máquinas más ingeniosas que las existentes hasta la fecha. Da Vinci interpreta la naturaleza y busca imitarla perfectamente. Los pájaros y los murciélagos lo inspiraron con máquinas voladoras, como el ornitóptero. Además, a partir de la observación de las aves, estableció proyectos de construcción de hélices, paracaídas y planeadores. Dio una definición aceptable de biomímesis: "el pájaro es un instrumento que funciona según leyes matemáticas y el hombre sólo tiene que desarrollar una máquina capaz de reproducir cada uno de sus movimientos". También dijo: "Ve a tomar tus lecciones en la naturaleza, ahí es donde está nuestro futuro" (Aminekad, 2018). Ver: Figura 1: diseño de alas para la máquina voladora, ornitóptero de Leonardo da Vinci.
Mathew Baker (1530-1613) fue uno de los principales diseñadores de naves en 1590, inspirándose en la naturaleza para construir grandes estructuras simulando la cabeza y la cola de la caballa (scomber scombrus) (Ibrahim-Anous IH, 2015). Ver: Figura 2: uno de los bocetos de los barcos de Mathew Baker
John Smeaton (1724-1792), ingeniero civil, utilizó la estructura de forma de los robles en 1759 como base del diseño del faro de Eddystone (Reino Unido) debido a su dureza y durabilidad (Ibrahim-Anous IH, 2015). Ver: Figura 3: Faro de Eddystone.
El ingeniero francés Marc Brunel (1769-1849) inventó el cajón, una estructura que permite la construcción submarina, después de observar el gusano de la madera o broma (teredos), una especie de almeja de agua salada cuyas válvulas permiten perforar los barcos de madera sin ser aplastados cuando las capas de madera recién expuestas absorben el agua del ambiente y se hinchan (Kennedy, 2017). Ver: Figura 4a: Construcción del túnel bajo el Támesis de Marc Brunel. Ver: Figura4b: Esquema del método constructivo adoptado .
En 1851, el paisajista Joseph Paxton (1803-1865) construye en Londres el Palacio de Cristal para la Gran Exposición. La arquitectura única del palacio utiliza vigas de hierro entrecruzadas para soportar los paneles de vidrio en un enorme espacio abierto, inspirándose en la hoja de un nenúfar (nenúfar) (Scobey, 2014). Ver: Figura 5: Una de las vistas principales del Crystal Palace en 1854.
Clement Ader (1841-1925), ingeniero francés, construyó su primera máquina voladora en 1886, el éole (Aminekad, 2018). Ver: Figura 6a: El éole, y Ver: Figura 6b: el éole presente en una exposición (Zorita, 2014).
Francois Réaumur, observó las
avispas y señaló que el material de su nido se parece mucho al papel, pues mastican
madera para hacer su nido (Aminekad,
2018).
Antonio Gaudí, arquitecto, en la Catedral de la Sagrada Familia de Barcelona intentó simular troncos y ramas de árboles y caracoles en espiral y los utilizó como elementos estructurales resistentes al viento y a las condiciones climáticas y a la transferencia de cargas, no solo en la decoración (Ibrahim-Anous IH, 2015). Ver: Figura 7: La Sagrada Familia aún en construcción.
Gustave Eiffel (1832-1923), ingeniero civil, en 1889 diseñó la torre Eiffel. Simuló la parte superior del fémur o hueso del muslo, ya que es el hueso más fuerte de la estructura del esqueleto humano, al actuar como un portador de lo que está por encima y como soporte para el resto de la pierna (Ibrahim-Anous IH, 2015). Ver: Figura 8a: Torre Eiffel (Torre Eiffel, 2020) y Ver: Figura 8b: Un fémur como inspiración (Meridianos, 2007).
Los hermanos Wright (Willbur, 1867-1912 y
Ollbert 1871-1948), considerados como los inventores del avión, usaron el
ala del buitre (buitre) como modelo
para construir las alas de su avión en Kitty Hawk, Carolina del Norte, en
1903 (Das et al., 2015). En este año de 1903, se
produce el primer vuelo exitoso de la historia, la nave de los hermanos Wright
permanece en el aire poco menos de un minuto. El modelo de los hermanos Wright,
en particular el mecanismo de control de las alas, se inspira en la forma en
que los pájaros utilizan las corrientes de aire para ganar altura y facilitar
los cambios de dirección (Scobey,
2014)
En 1912, el italiano Giacomo Ciamician (1857-1922), redactó un artículo describiendo un
mundo sin chimeneas donde la humanidad ha encontrado el secreto de la fotosíntesis
y puede hacer funcionar el mundo sin carbón (Schreiner, 2020).
La invención del radar parece estar relacionada con el hecho de que algunos delfines (delphinidae) y murciélagos (chiroptera) han utilizado el sonido para la comunicación y la detección de objetos durante millones de años (Das et al., 2015). Ver: Figura 9: Forma de operación del murciélago y delfín para su ecolocalización (Ecured, 2020).
En 1955, mientras paseaba por el bosque, el
ingeniero suizo George de Mestral
(1907-1990) notó unas rebabas que se pegaban a su chaqueta. Miró una de las
rebabas bajo el microscopio y vio que el recipiente de las semillas tenía
extremidades en forma de gancho que agarraban las fibras en forma de bucle de
su ropa exterior, arctium lappa. Su
descubrimiento condujo a la patente de un novedoso sistema de cierre con gancho
y lazo, el velcro, por la contracción de las palabras “velours”
(terciopelo) y “crochet” (gancho) (Kennedy, 2017). Después de examinar más a fondo el lampardo o
bardana, notó que su superficie estaba compuesta por muchos ganchos diminutos.
Se adhieren a las cosas entrelazando estos ganchos en la composición suelta de
las superficies como la tela y el pelo de los animales. Inventó el velcro
imitando esta superficie cubierta de diminutos ganchos y asociándola con una
superficie cubierta de pequeños bucles, dando como resultado el útil producto
que conocemos hoy en día, el velcro (Schreiner, 2020). El velcro se hace muy conocido en la década de 1960, cuando la NASA lo
utilizó en los transbordadores espaciales para evitar que la comida, el equipo
y otros artículos se alejen flotando en gravedad cero (Scobey, 2014). El velcro fue útil para la conquista del espacio
(para colgar los objetos en ingravidez), sustituyendo a los productos químicos
contaminantes para hombre y medio ambiente (Aminekad,
2018). Ver: Figura 10: Lampazo o bardana (Arctium
lappa), especie fanerógama perteneciente al
género arctium y
a la familia de las asteráceas, inspiración del
Velcro (Wikipedia1, 2020).
Frank Lloyd Wright (1867-1959) en 1956 se basó en la “arquitectura orgánica” para la simulación de objetos naturales utilizando
los principios de la naturaleza de una manera diferente (Ibrahim-Anous IH, 2015).
La economía circular, concepto que pensado desde 1966, es la idea de
planificar modelos de negocio sin ningún desperdicio (Schreiner, 2020).
En 1969, el biofísico
estadounidense Otto Schmidt (1913-1998) utiliza por primera vez el término biomimética.
En 1934, Schmitt había inventado un circuito eléctrico modelado a partir de los
sistemas de impulsos neurales de los calamares (teuthida). La palabra de Schmidt se pone de moda y, al poco tiempo es
adoptada en el diccionario de Webster (Scobey, 2014)
En 1980, Eugene Tssui (1954) declaró que el hombre y la naturaleza deben convertirse en socios en el diseño para crear un mundo de belleza. Inventó una nueva forma de arquitectura llamada “arquitectura evolutiva” (Ibrahim-Anous IH, 2015). Ver: Figura 11a: El Ojo del Sol que está orientada al sur y regula la luz y la temperatura interior de la Casa de Tssui ("Casa de los Peces") en Berkeley, California, y Ver: Figura 11b: La casa de Tssui, llamada "la casa más segura del mundo" (Wikipedia4, 2020).
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| La casa más segura del mundo |
En 1986, La NASA y 3M probaron una tecnología que se asemeja a los surcos encontrados en la piel del tiburón (selachimorpha). Pequeñas hendiduras llamadas menudencias se adhieren al caparazón exterior de una aeronave con adhesivo para reducir el arrastre en el aire y hacer los chorros más aerodinámicos. Hoy en día, Lufthansa está desarrollando una tecnología para pintar estos surcos directamente en el exterior de los aviones comerciales para reducir el consumo de combustible en aproximadamente un 1% (Scobey, 2014).
El Centro Eastgate es construido en 1996 y está situado en Harare (Zimbabwe) cumpliendo la función de centro comercial y espacio de oficinas. Diseñado con el concepto de hormiguero de termitas (isoptera), el Centro Eastgate no necesita ser calentado o enfriado convencionalmente. Las termitas mantienen sus montículos a una temperatura constante cerrando y abriendo agujeros a lo largo de la cubierta exterior del montículo, permitiendo que el aire ventile y equilibre la temperatura en su interior. El centro Eastgate funciona de manera similar, pero con conductos y ventiladores en lugar de termitas. Utiliza un 10% de la energía de un edificio convencional del mismo tamaño (Schreiner, 2020). El arquitecto Mick Pearce lo diseñó en 1996 inspirado en los hormigueros de termitas africanas que se enfrían por sí solas. El gran espacio de oficinas y comercios no tiene un sistema convencional de calefacción y refrigeración, sino que utiliza chimeneas que extraen naturalmente el aire fresco para mantener un ambiente templado. Según Pearce, el sistema de ventilación cuesta una décima parte de lo que cuesta un edificio comparable con aire acondicionado, y utiliza un 35% menos de energía (Scobey, 2014). Ver: Figura 12a: Centro EastGate en Harare (Zimbabwe) y Figura12b: Sección transversal donde se puede observar su funcionamiento (Ciencia para llevar, 2014).
Janine Benyus (1958) en 1997 es conocida como la fundadora del
movimiento de biomímesis. Ella recogió todas sus teorías en un libro llamado
"Biomimesis: innovaciones inspiradas
por la naturaleza". En 1998, Janine Benyus y Dayna Baumeister fundaron la biomímesis, que
utiliza un profundo conocimiento de la adaptación biológica de los organismos
para ayudar a los diseñadores, ingenieros y arquitectos a resolver problemas de
diseño e ingeniería de manera sostenible. En 2008, se desarrolla el “portal de biomímesis”, que es la primera
base de datos digital para organismos biológicos que tienen estrategias para
resolver problemas acordes con la comunidad humanitaria (Ibrahim-Anous IH, 2015). En 2005, Bryony Schan y Janine Benyus
cofundaron el Instituto de Biomímesis,
en 2007 Chris Allen se unió a Beynus y Schwan para lanzar "AskNature",
primera biblioteca digital del mundo que contiene una lista de soluciones naturales
donde los diseñadores pueden buscar a través de esta colección de sistemas
naturales, clasificados según su diseño e ingeniería. (Darwan GAN & Osama, 2016). Janine Benyus está considerada como una de las personas
clave responsables de desarrollar el campo de la biomimética en un área más
reconocida y distinguida hoy en día (Austin,
2014). Fundó
su propia organización de consultoría líder en el mundo, Biomimética 3.8. Su
misión es enseñar al mundo a innovar, aprender e inspirarse en la naturaleza.
Ella continúa esforzándose por un futuro que escuche a la tierra en lugar de
explotarla (Schreiner,
2020). Ella enmarca el concepto de biomimética en torno al urgente objetivo de
acabar con la destrucción del medio ambiente. Dijo en el National Geographic,
"Ojalá hubiéramos estado en la mesa
de diseño de la Revolución Industrial" (Scobey, 2014). Ver: Figura 13: Portada del libro escrito por Janine Benyus “Biomímesis. Innovaciones inspiradas
por la naturaleza” (Benyus, 1997).
Richard Bonser en 2006
publica un estudio en el Journal of Bionic Engineering que evalúa el
crecimiento de la innovación biomimética. Bonser descubre que entre 1985 y
2005, el número de patentes en todo el mundo que contienen la palabra
biomimética aumentó en un factor de 93. (El factor de crecimiento de las patentes
no biomiméticas fue de 2,7) (Scobey,
2014).
En 2008, por medio de Hansjörg Wyss (1935) comienzan los
trabajos para crear el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica
para esforzarse en el descubrimiento de los principios de la ingeniería que
rigen a los seres vivos, y utilizará estos conocimientos para desarrollar
soluciones tecnológicas para los problemas sanitarios y medioambientales más
acuciantes a los que se enfrenta la humanidad (Scobey, 2014).
Michael Pawlyn (1967) expresa que los diseñadores deberían utilizar la naturaleza como un “libro de consulta” para el diseño y la tecnología sostenibles y, como se ha refinado a partir de un período de investigación y desarrollo de 3.800 millones de años, ha sido y seguirá siendo siempre una tecnología emergente a medida que se produzcan las evoluciones (Austin, 2014).
Un gran defecto de las turbinas eólicas es que cuando se colocan demasiado cerca, la turbulencia interrumpe y disminuye la eficiencia de las turbinas de eje horizontal (las tradicionales). Al estudiar en 2010 la forma en que los bancos de peces nadaban en el agua tan cerca, se observó que se complementaban y ninguno de ellos perdía el ritmo. Esto ayudó a resolver el defecto de la turbina de viento. Cuando rotaban el eje de manera que apuntara hacia la vertical, las turbinas podían colocarse mucho más cerca unas de otras sin perturbar las otras, aumentando la eficiencia hasta diez veces la del eje horizontal (Schreiner, 2020).
Lynn Reaser, en 2011 establece
el Índice Da Vinci para medir la frecuencia de la biomimética (Scobey, 2014).
Los científicos de la
Universidad de Manchester han desarrollado un nuevo tipo de adhesivo, que imita
el mecanismo empleado por el lagarto geco para caminar por las superficies,
incluyendo techos de cristal. El nuevo adhesivo (geco, cinta) contiene miles de
millones de pequeñas fibras de plástico, menos de un micrómetro de diámetro,
que son similar a los pelos naturales que cubren las plantas de los pies los
pies de geco que generan electrodinámica adherencia a nivel microscópico. Un
centímetro cuadrado de cinta de geco podría soportan un peso de un kilogramo.
Además a un adhesivo general, puede ser usado para mover chips de ordenador en
el vacío y recoger pequeñas fibras. La cinta puede ser usada varias veces y no
utiliza productos químicos tóxicos que se encuentran en los adhesivos comunes (Hargroves & Smith MH, 2006). Ver: Figura 14: Salamanquesa o geco (tarentola mauritanica) (Ambientum, 2018).
La piel de tiburón ha sido imitada por su
tosca textura segmentada. A las bacterias no les gusta aterrizar en la piel de
un tiburón (Selachimorpha). Los
ingenieros en 2014 han diseñado materiales con una textura microscópica
comparable que repele las bacterias de manera similar. Este material será
especialmente útil en los hospitales donde puede ser usado para cubrir
superficies y manetas de puertas para eliminar la propagación de las bacterias (Schreiner, 2020).
La compañía alemana
Sto AG ha desarrollado un revestimiento exterior inspirado en la biomímesis con
una superficie repelente al agua basada en la de la hoja de loto. El alemán Wilhem
Barthlott (1946) desarrolló la superficie después de buscar alternativas
ambientalmente benignas a los tóxicos detergentes de limpieza para reducir el
impacto ambiental. Afirmó que la naturaleza no usa detergentes en absoluto, en
cambio diseña la autolimpieza de superficies con propiedades hidrofóbicas (Hargroves & Smith MH, 2006). Ver: Figura 15: “Nelumbo nucifera” o loto
(Wikipedia6, 2020).
Buscando en la naturaleza una solución a los cambios repentinos en la resistencia del aire, el equipo de diseño del tren japonés Shinkansen 500 descubrió que el pico del martín pescador (alcedo atthis) estaba especialmente diseñado de forma que le permite bucear desde el aire al agua (de medios de baja a alta resistencia) con un mínimo de pérdida de energía. Técnicas de modelado por ordenador usadas para determinar qué estilo de nariz era mejor para el Shinkansen reveló que el pico del martín pescador era la forma aerodinámica más ideal (Hargroves & Smith MH, 2006). Ver: Figura 16a: Tren bala Shinkansen 500 y Figura 16b un martín pescador (alcedo atthis) (Maikelnai, 2009).
Referencia de imágenes
Figura
1. “Diseño de alas para la máquina voladora”. Disponible en https://revistadehistoria.es/la-maquina-voladora-leonardo-da-vinci/. Acceso julio 2020.
Figura 2. “Sketch by Matthew Baker”. Disponible en https://en.wikipedia.org/wiki/Mathew_Baker.
Acceso julio 2020.
Figura 3. “Faro de Eddystone”. Disponible
en https://es.wikipedia.org/wiki/Faro_de_Eddystone. Acceso julio 2020.
Figura 4a. “Inside the Thames
Tunnel during
construction, 1830”. Figura 4b. “Diagram of the tunnelling
shield used to
construct the Thames Tunnel”. Disponible en https://en.wikipedia.org/wiki/Marc_Isambard_Brunel. Acceso julio 2020.
Figura 5. “The Crystal Palace in 1854”. Disponible
en https://commons.wikimedia.org/wiki/File:
Crystal_Palace_Genera. Acceso julio 2020.
Figura 6a. “El Eole fue el nombre que recibió el invento de
Ader antes de que lo bautizase como «avión»”. Figura
6b. “El Eole III expuesto en la feria aeronáutica de 1904”. Disponible en https://www.albedomedia.com/cultura/historiografia/clement-ader-y-el-primer-avion/. Acceso julio
2020.
Figura 7. “Catedral de la Sagrada Familia
de Barcelona”. Disponible en https://blog.sagradafamilia.org/es/divulgacion/cinco-razones-por-las-que-la-sagrada-familia-es-una-visita-ineludible/. Acceso julio 2020.
Figura 8a. “Torre Eiffel”. Disponible
en https://earth.google.com/web/data=
CiQSIhIgYjBhN2YwMWMxZTUwMTFlOTlhYjNiMzVmZWI1NjQ0Yjg?hl=es. Acceso julio
2020. Figura 8b. “Fémur como inspiración
de la Torre Eiffel”. Disponible en http://elzo-meridianos.blogspot.com/2007/07/el-diseo-de-la-torre-eiffel-se-inspiro.html. Acceso julio 2020.
Figura
9. “Ecolocalización”. Disponible en https://www.ecured.cu/Ecolocalizaci%C3%B3n. Acceso julio 2020.
Figura
10. “Arctium lappa”. Disponible en https://es.wikipedia.org/wiki/Arctium_lappa.
Acceso julio 2020.
Figura 11a. “Ojo del Sol (Eye of the Sun) window is
south-facing and regulates light and interior temperatures of the Tsui House
("Fish House") in Berkeley, California”. Figura 11b. “The
Watsu School (built in 2003) is located at Harbin Hot Springs, Middletown,
California. It includes offices, bedrooms, pools, and a cafeteria”. Disponible en https://en.wikipedia.org/wiki/Eugene_Tssui.
Acceso julio 2020.
Figura 12a. “Eastgate Centre /Mandy Patter”. Figura 12b. “Sección y
funcionamiento”.
Disponible en https://blogs.20minutos.es/ciencia-para-llevar-csic/tag/eastgate/. Acceso julio 2020Figura 13. “Biomímesis: innovaciones inspiradas por la naturaleza”. Disponible en https://books.google.es/books/about/Biom%C3%ADmesis.html?id=b0eSkgEACAAJ&source=kp_cover&redir_esc=y.
Acceso julio 2020.
Figura 14. “Capacidad adhesiva de los
gecos”. Disponible en https://www.ambientum.com
/ambientum /biodiversidad/capacidad-adhesiva-de-los-gecos.asp. Acceso julio 2020.
Figura 15. “Loto sagrado”. Disponible
en https://es.wikipedia.org/
wiki/Nelumbo_nucifera.
Acceso julio 2020.
Figura 16a y 16b. “De como el martín
pescador mejoró el tren bala”. Disponible en https://maikelnai.naukas.com/2009/08/12/de-como-el-martin-pescador-mejoro-el-tren-bala/.
Acceso julio 2020.
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