Biomimética, maestro de la naturaleza
2009/01/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Lo que no sirve no avanza. Es la ley de la naturaleza: los diseños sin éxito desaparecen o se convierten en fósiles. Las plantas, animales, bacterias, etc. que han sobrevivido a una ley tan estricta son excelentes modelos de optimización. Por eso, de forma voluntaria o involuntaria, siempre hemos aplicado lo observado en la naturaleza para nuestro aprovechamiento. Sin embargo, en los últimos años el valor de esta fuente de inspiración se está quedando cada vez más claro, y para muchos la consideración de la naturaleza como un maestro se está convirtiendo en una forma sistemática de trabajo.
La lección ha sido bien aprendida por Eiji Nakatsu, ingeniero encargado de los ensayos de los trenes de bala Shinkansen en Japón. Los trenes de Shinkans son los más rápidos del mundo, no llegan a volar, pero debe mucho a las aves.
Ser rápido no es un problema con la tecnología actual, sino que el verdadero reto está en no ser demasiado ruidoso. Cuanto más rápido es, más ruidoso es el tren. Para solucionar este problema, Nakatsu, tirando de su afición por las aves, se fijó en la habilidad de los búhos para volar sin apenas sonar.
Así, el equipo de Noker comenzó a investigar esta capacidad de destrucción y descubrieron que uno de los secretos del silencio estaba en la estructura de unas plumas en las alas. Estas plumas tienen aristas aserradas, lo que les permite formar pequeños remolinos en el aire. Estos pequeños remolinos rompen los remolinos más grandes que producen el sonido y, por tanto, eliminan el sonido.
Tardaron cuatro años en intentar aplicar este principio al tren. Pero finalmente, en determinados puntos del tren (el pantógrafo), mediante la aplicación de este aserrado de las plumas de búho, se consiguió el tren que cumple los estándares sonoros más exigentes del mundo.
Sin embargo, todavía tenía otro problema. Al entrar a alta velocidad en los túneles se generan ondas de presión que se hacen cada vez más grandes y que al salir del túnel provocan una explosión sonora. Esto es debido a que al entrar en el túnel la resistencia del aire cambia bruscamente.
Teniendo en cuenta la asignatura tomada anteriormente de la naturaleza, Nakatsu se puso a pensar: "¿Hay seres vivos adaptados a cambios bruscos de resistencia? ". Y se le ocurrió otro ave: el martín pescador. Para capturar los peces, el martín pescador debe pasar del aire de baja resistencia al agua de alta resistencia. ¡Ni salpicaduras!
La clave podría estar en el exigente y aerodinámico pico del martín pescador. Y teniendo en cuenta esto, empezaron a hacer pruebas. Pronto se dieron cuenta de que la forma más adecuada para el extremo de Shinkansena era casi idéntica al pico del martín pescador. De este modo, el tren fue dotado con un pico de 15 metros, lo que permitió reducir la presión del aire en un 30% aumentando la velocidad en un 10% y el consumo de energía en un 15%.
Voladores expertos
Las aves también interesan al Ejército del Aire de EEUU. Y es que si las aves son maestros en algo, vuelan maestros, no tienen nada en común con los insectos y los murciélagos. A diferencia de nuestros aviones, las alas vuelan agitadas y tienen la capacidad de cambiar la posición y forma de las alas. Gracias a ello, son capaces de resistir rachas de viento, lluvia y nieve sin caer al suelo.
Pues eso es lo que pretende el Ejército del Aire estadounidense: un pequeño avión no tripulado capaz de volar como pájaros e insectos. Y para ello destina más de un millón de dólares al año. Sin embargo, no han hecho más que empezar y queda un largo camino por recorrer.
Sin embargo, el hecho de que los grandes aviones agiten sus alas no es muy probable, pero sin ir tan lejos, se pueden hacer aviones más eficientes atendiendo a las aves. La Universidad Penn State de Pennsylvania, en un proyecto financiado por la NASA, ha diseñado alas que cambian de forma. De hecho, los sorbellos, por ejemplo, mantienen las alas bien extendidas para volar durante mucho tiempo y gastando poca energía, o un poco más concentrados cuando necesitan movimientos más rápidos y precisos.
Así, primero desarrollaron un esqueleto capaz de cambiar de forma. Pero la piel que cubriría este esqueleto tampoco podía ser rígida. Para solucionarlo se han inspirado en los peces. La corteza está formada por láminas superpuestas, al igual que las escamas de los peces.
Aprender de los peces
Las escamas de los peces también pueden ser fuente de inspiración. Los tiburones, por ejemplo, tienen un diseño interesante; se observa de cerca que presentan estrías longitudinales. Gracias a estas escamas, el rozamiento del tiburón en el agua baja mucho y además la piel se mantiene limpia, sin ecoparásitos --en el mar es difícil.
Esto se ha aplicado, por ejemplo, en los trajes de los nadadores de élite y en los de los cascos de los barcos. Con los nuevos recubrimientos que imitan la textura de las escamas de los tiburones han conseguido reducir en un 67% el número de seres vivos que se pegan en los cascos, dejando el casco completamente limpio a una velocidad de 4-5 nudos. Por tanto, en estos barcos no es necesario el uso de biocidas contaminantes.
Y los tiburones fueron precisamente los primeros peces que el grupo de Dieter Gurtler les tocó. Gurtler, ingeniero de la gigantesca empresa automovilística Daimler AG, viajó junto a otros dos miembros a un museo de historia natural de la zona de Sttutgart para buscar nuevas ideas en los peces para desarrollar coches pequeños y eficientes. Pronto fueron descartados los tiburones: su forma no es adecuada si se quiere tener un gran espacio en el interior.
El especialista del museo les enseñó un pez raro: el pez caja tropical ( Ostracion cubicus ). Era gruesa y ancha, no muy elegante, y parecía torpe. Sin embargo, tras realizar simulaciones en 3D, los investigadores descubrieron que la forma del pez caja es muy efectiva para moverse. Estos peces no se mueven rápido, pero se detienen y parten, y en zigzag no tienen nada en común.
El equipo de Gurtler continuó con la idea. Cuando hicieron un modelo de yeso y lo probaron en el túnel de viento quedaron fascinados: estaba muy cerca del modelo más perfecto de aerodinamicidad. Al final desarrollaron el modelo de un coche nuevo a partir de este singular pez: El biónico Mercedes-Benz.
Y la aerodinamicidad no fue la única característica que les interesó desde el pescado de caja. También fue descubierto por el esqueleto del pescado. Las placas hexagonales forman un esqueleto muy ligero pero duro. Pasaron meses inventando cómo aplicar esta estructura al coche, pero finalmente la aplicaron en paneles de puertas y chasis. Estas partes redujeron su peso en un 30% y las pruebas demostraron que la nueva estructura era un 40% más rígida que el modelo estándar.
Muchos investigadores que han recibido este tipo de lecciones de la naturaleza han llegado a la conclusión de que de la observación de la naturaleza se pueden obtener ideas que de otra manera no se nos ocurrirían. Por eso, la biomimética cada vez tiene más seguidores. Ford ha desarrollado un sistema de evitación de choques imitando el mecanismo de vuelo de las otis en grandes grupos; la empresa Whalepower ha copiado las aletas de Xibart para hacer las aletas más eficientes de molinos de viento y turbinas; la Universidad de Arizona está investigando la aplicación de la capacidad de generación de energía de las hojas para la fabricación de placas solares a nivel molecular; y los médicos japoneses han fabricado agujas hicosas similares a la probóspide del mosquito.
Tecnología de la naturaleza
Janine Benyus ha escrito varios libros sobre este tema y es fundadora del Biomimicry Institute sin ánimo de lucro y de la consultora Biomimicry Guild. Cree que los mecanismos desarrollados por la naturaleza pueden ser muy útiles para el ser humano, y eso es lo que pretende demostrar a ingenieros y diseñadores.
Uno de los proyectos de Benyus es Nature's 100 Best Technologies (N100B). El objetivo de este proyecto es identificar las 'tecnologías' de la naturaleza que pueden servir para hacer un planeta más sano y sostenible. Cada año quieren publicar un libro con cien ideas.
Entre las ideas que conforman la primera lista se encuentra, por ejemplo, el sistema de climatización de termitas. En la ciudad de Harare de Zimbabwe existe un edificio construido con esta idea: Eastgate Building. El arquitecto Mick Pearce y los ingenieros de Arup Associates investigaron los edificios de las termitas Macrotermes michaelseni. De hecho, en el interior de estos edificios sólo suelen presentar una diferencia de grado, aunque la temperatura exterior varía entre 3 y 42 ºC.
La temperatura diaria también varía entre 10-40ºC. Sin embargo, el edificio Eastgate Building mantiene una temperatura agradable durante todo el día sin utilizar aire acondicionado. Eastgate Building consume sólo el 10% de la energía que usaría una construcción normal a su medida.
Otro ejemplo son las superficies que se limpian. Es una idea tomada de la planta de loto ( Nelumbo sp ). La superficie de las hojas del loto es una de las más hidrófobas --repelente del agua-. Gracias a la microestructura de la superficie, las gotas de agua quedan en forma esférica, que al resbalar en la hoja arrastran las partículas de polvo y suciedad. Esto es lo que se conoce como efecto loto y ya se han aplicado diferentes aplicaciones: pinturas, cubiertas, tejidos...
El ingenio de la naturaleza no tiene límites. El pico del tucán combina con maestría la ligereza y la fuerza, y las espinas del erizo son un maravilloso ejemplo de economía estructural y dureza. Las luciérnagas crean una luz fría sin pérdida de energía y el escarabajo Melanophila, que pone huevos en la madera recién asada, es capaz de detectar la radiación infrarroja emitida por los incendios forestales a una distancia de cientos de kilómetros. 3.800 millones de años no se malpasan.
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