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Ciencia
Biomimesis, apuntes del natural
El I+D biomimético conquista los laboratorios y especies animales y vegetales protagonizan innovaciones y desarrollos tecnológicos inspirados en sus mejores rasgos adaptativos
Arantza Prádanos
- 25/09/2015
- Número 2
El gecko es uno de los grandes campeones de la biomimética.Istock. Darpa / z-man
La búsqueda en la naturaleza de respuestas a desafíos tecnológicos no la inventó Leonardo —la especie humana lo ha hecho desde que se puso en pie—, pero nadie ha ilustrado mejor que Da Vinci esa mirada exploradora al mundo que nos rodea. Sus bocetos de máquinas voladoras, los dibujos con cálculos sobre la fuerza de sustentación del ala de un ave son un brillante ejercicio de biomimesis. Son un ejemplo precursor de la que, 500 años después, es una de las corrientes científicas más pujantes en la actualidad. La biomimética ha tomado al asalto laboratorios, universidades y centros de I+D.
Equipos de todo el mundo estudian animales, plantas y ecosistemas; analizan sus mejores rasgos evolutivos y las estrategias de adaptación natural susceptibles de inspirar avances técnicos y soluciones a problemas de desarrollo humano más sostenibles que las ideadas hasta ahora por el Homo sapiens. Aves, insectos, reptiles, cetáceos o especies vegetales, viejos conocidos de la zoología y la botánica, se investigan ahora con un enfoque transversal y con la vista puesta en el diseño de materiales, robótica, ingeniería, medicina, computación, transporte, energía, arquitectura, urbanismo, moda y casi en cualquier ámbito tecnológico.
Las revistas científicas y los simposios internacionales atestiguan esa ebullición. Solo en los últimos meses se han dado a conocer decenas de estudios de sesgo biomimético, muchos nuevos, otros con avances respecto a cuestiones conocidas. Las singulares características físicas responsables del vuelo casi insonoro del búho —una cresta de plumas rígidas a lo largo del borde delantero del ala, una franja flexible y porosa en el borde exterior, y un material aterciopelado cubriendo la parte superior del ala— se estudian en aeronáutica y han mejorado el ruido aerodinámico en el diseño del tren bala japonés —amortiguado gracias a un morro inspirado en el pico del martín pescador—.
En junio se produjo un avance importante: un equipo liderado por la Universidad de Cambridge presentó un recubrimiento plástico en impresión 3D, diseñado según el patrón morfológico del ala de los búhos, capaz de reducir la fricción del aire y el sonido resultante. Una vez optimizado, su destino más obvio serán las palas de los aerogeneradores, que trabajan frenados, por debajo de su capacidad productiva, para limitar el estruendo que emiten a toda potencia.
Es un ejercicio teórico, pero la pasada primavera ingenieros de la Universidad Politécnica de Madrid dieron a conocer una superfibra de la araña Nephila inaurata con una sección 10.000 veces mayor que la natural —inferior a una micra—, obtenida estirando directamente la glándula que la produce. Se salva así “lo que nos mantenía atascados a los científicos, el desconocido proceso de hilado de la araña, y podemos obtener directamente unas fibras con esas propiedades sorprendentes de resistencia”, explica José Pérez Rigueiro, coautor principal del trabajo, publicado por Scientific Reports de Nature.
El hallazgo, que recupera una vieja técnica de tratamiento de los gusanos de seda con vinagre, es el principio de un camino con aplicaciones futuras en la ingeniería de tejidos “como andamio de soporte para regenerar aquellos dañados”. Así funciona el biomimetismo o la bioinspiración: “No se trata de copiar exactamente cómo hila la araña, sino de aprender hasta los últimos detalles para luego, por ingeniería genética, fabricar las proteínas implicadas y emplearlas en un sistema similar”, cuenta Rigueiro.
“Ahora lo que tenemos es la tecnología necesaria. Disponemos de una capacidad de fabricación que va desde la nanoescala hasta el desarrollo de ingeniería gigantesca. Y tenemos el análisis, que también puede descender hasta la nanoescala”, explica Raúl J. Martín-Palma. Profesor de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y adjunto en el departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería de la Universidad de Pennsylvania, Martín-Palma es, probablemente, el investigador español con mayor número de trabajos biomiméticos publicados en equipos internacionales.
Algunos de sus últimos proyectos han pasado de la mera inspiración a la copia directa de estructuras biológicas. “Empezamos replicando ojos de insectos, alas de mariposa, etc., para reproducir su comportamiento óptico o fotónico”, explica. En el caso de la mosca, obtuvieron moldes de córneas a escala nanométrica haciendo crecer sobre el tejido original del insecto una película de níquel. A partir de esa plantilla metálica se pueden fabricar réplicas exactas en materiales poliméricos, que conservan las mejores capacidades ópticas de la mosca. “Ve en muchas direcciones y esa característica interesa para la fabricación de células solares con la misma estructura, de modo que puedan captar la luz del sol incidente desde muchos ángulos sin necesidad de incorporar mecanismos de seguimiento, caros y frágiles”, explica. Los ojos artificiales podrían emplearse en cámaras miniaturizadas de uso médico, en seguridad, sensores ópticos o en tarjetas de crédito.
En la Conferencia Internacional de Robótica y Automatización de Seattle de mayo, otro microrrobot tomó prestados los mecanismos de agarre de las patas del gecko y ciertos patrones morfológicos de las hormigas para conseguir que el vehículo, de solo 9 gramos de peso, trepara por una pared vertical de cristal sujetando a plomo un objeto de más de un kilo. El equivalente sería un hombre escalando un rascacielos con un elefante a cuestas. Sus creadores, de la Universidad de Stanford, piensan aumentar la escala para ulteriores aplicaciones en industria y construcción.
superadherentes y hay decenas de patentes en productos y servicios inspirados en ellas. Hay hasta un programa específico en la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de la Defensa (DARPA), el cerebro científico del Pentágono. Aún experimental, el programa Z-Man ha conseguido emular a Spiderman mediante unas planchas de tejido sintético recubierto de un polímero, similar a la microestructura de los dedos del gecko, que se adhiere a cualquier superficie debido a un fenómeno de atracción molecular, las fuerzas de Van der Waals.
El gecko trepa incluso cabeza abajo gracias a los enlaces físicos presentes en las espátulas de sus dedos. Es el tamaño y la forma de esas espátulas lo que afecta a la adhesión, que es reversible. El animal se suelta curvando los dedos hacia afuera y aflojando las fuerzas de atracción. Si George de Mestral dio un ejemplo pionero de biomimetismo al patentar el velcro —basado en un tipo de cardillo silvestre— en los años 50, una nueva generación de tejidos adhesivos inspirados en el gecko llegará más pronto que tarde a la industria y a los consumidores de a pie.
También llegarán los colectores solares de ala de mariposa o la pintura autolimpiable para coches, extraídos también de rasgos intrínsecos de estos insectos como la superhidrofobicidad y el color estructural; o los tejidos antibacterias con textura de piel de tiburón. Se generalizará la arquitectura biomimética, de la que ya hay ejemplos célebres como el hotel cáctus Qatar Sprouts, o los inmuebles con tecnologías de autolimpiado por el efecto loto —repelencia al agua y a la adhesión de partículas—. Y llegará a la gestión de ecosistemas, a la producción alimentaria o a la organización interna de las empresas. En todos sus niveles —imitar la forma o los procesos funcionales de organismos vivos—, la biomimética será el motor de la “nueva ola de innovación junto con la ecología industrial, las energías renovables, la nanotecnología, la química verde o el diseño sistémico”, precisa Quirós.
La palabra clave de este enfoque es sostenibilidad. El ser humano, el mono más listo de la clase, ha resultado ser también el único capaz de alterar el equilibrio natural a escala global, de agotar recursos y generar basura tóxica perpetua. “Necesitamos ayuda para diseñar un modelo de desarrollo sostenible y ya existe ahí fuera. La naturaleza sabe cómo hacerlo, lleva 3.850 millones de años adaptándose. No es ecologismo —apostilla—, es inteligencia evolutiva.”
Equipos de todo el mundo estudian animales, plantas y ecosistemas; analizan sus mejores rasgos evolutivos y las estrategias de adaptación natural susceptibles de inspirar avances técnicos y soluciones a problemas de desarrollo humano más sostenibles que las ideadas hasta ahora por el Homo sapiens. Aves, insectos, reptiles, cetáceos o especies vegetales, viejos conocidos de la zoología y la botánica, se investigan ahora con un enfoque transversal y con la vista puesta en el diseño de materiales, robótica, ingeniería, medicina, computación, transporte, energía, arquitectura, urbanismo, moda y casi en cualquier ámbito tecnológico.
Las revistas científicas y los simposios internacionales atestiguan esa ebullición. Solo en los últimos meses se han dado a conocer decenas de estudios de sesgo biomimético, muchos nuevos, otros con avances respecto a cuestiones conocidas. Las singulares características físicas responsables del vuelo casi insonoro del búho —una cresta de plumas rígidas a lo largo del borde delantero del ala, una franja flexible y porosa en el borde exterior, y un material aterciopelado cubriendo la parte superior del ala— se estudian en aeronáutica y han mejorado el ruido aerodinámico en el diseño del tren bala japonés —amortiguado gracias a un morro inspirado en el pico del martín pescador—.
En junio se produjo un avance importante: un equipo liderado por la Universidad de Cambridge presentó un recubrimiento plástico en impresión 3D, diseñado según el patrón morfológico del ala de los búhos, capaz de reducir la fricción del aire y el sonido resultante. Una vez optimizado, su destino más obvio serán las palas de los aerogeneradores, que trabajan frenados, por debajo de su capacidad productiva, para limitar el estruendo que emiten a toda potencia.
Las arañas ofrecen también terreno abonado para la biomimesis. Desde hace décadas, investigadores estudian las propiedades del hilo que secretan, de una resistencia muy superior a cualquier fibra inventada por el hombre, incluidas las poliaramidas del mejor chaleco antibalas, y un 40% más ligero que la fibra de carbono. Es posible que, proyectando su capacidad de absorción de impactos, una tela de araña tejida con hilos de un centímetro de grosor pudiera detener un avión en vuelo.Estudian animales, plantas y ecosistemas susceptibles de inspirar soluciones sostenibles
Es un ejercicio teórico, pero la pasada primavera ingenieros de la Universidad Politécnica de Madrid dieron a conocer una superfibra de la araña Nephila inaurata con una sección 10.000 veces mayor que la natural —inferior a una micra—, obtenida estirando directamente la glándula que la produce. Se salva así “lo que nos mantenía atascados a los científicos, el desconocido proceso de hilado de la araña, y podemos obtener directamente unas fibras con esas propiedades sorprendentes de resistencia”, explica José Pérez Rigueiro, coautor principal del trabajo, publicado por Scientific Reports de Nature.
El hallazgo, que recupera una vieja técnica de tratamiento de los gusanos de seda con vinagre, es el principio de un camino con aplicaciones futuras en la ingeniería de tejidos “como andamio de soporte para regenerar aquellos dañados”. Así funciona el biomimetismo o la bioinspiración: “No se trata de copiar exactamente cómo hila la araña, sino de aprender hasta los últimos detalles para luego, por ingeniería genética, fabricar las proteínas implicadas y emplearlas en un sistema similar”, cuenta Rigueiro.
Vieja práctica, nuevo enfoque
La biomimética es “una disciplina emergente dentro de una vieja práctica y es ahora cuando estamos viendo un crecimiento exponencial que sin duda cambiará nuestras vidas”, afirma Manuel Quirós, biólogo, profesor de Diseño en el Istituto Europeo di Design de Madrid y divulgador de referencia en España desde su blog. La biomimesis empezó a fraguarse en los años 60, pero tomó forma en los 90, con la bióloga Janine Benyus y el Biomimicry Institute como abanderados. La naturaleza constituye el mayor almacén de patentes libres a disposición del hombre y sus necesidades y alberga, según Benyus, el 80% de las soluciones que buscamos en desarrollo, progreso y sostenibilidad, con una eficacia contrastada a lo largo de más de 3,8 millones de años de evolución de la vida en el planeta.“Ahora lo que tenemos es la tecnología necesaria. Disponemos de una capacidad de fabricación que va desde la nanoescala hasta el desarrollo de ingeniería gigantesca. Y tenemos el análisis, que también puede descender hasta la nanoescala”, explica Raúl J. Martín-Palma. Profesor de Física Aplicada de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) y adjunto en el departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería de la Universidad de Pennsylvania, Martín-Palma es, probablemente, el investigador español con mayor número de trabajos biomiméticos publicados en equipos internacionales.
Algunos de sus últimos proyectos han pasado de la mera inspiración a la copia directa de estructuras biológicas. “Empezamos replicando ojos de insectos, alas de mariposa, etc., para reproducir su comportamiento óptico o fotónico”, explica. En el caso de la mosca, obtuvieron moldes de córneas a escala nanométrica haciendo crecer sobre el tejido original del insecto una película de níquel. A partir de esa plantilla metálica se pueden fabricar réplicas exactas en materiales poliméricos, que conservan las mejores capacidades ópticas de la mosca. “Ve en muchas direcciones y esa característica interesa para la fabricación de células solares con la misma estructura, de modo que puedan captar la luz del sol incidente desde muchos ángulos sin necesidad de incorporar mecanismos de seguimiento, caros y frágiles”, explica. Los ojos artificiales podrían emplearse en cámaras miniaturizadas de uso médico, en seguridad, sensores ópticos o en tarjetas de crédito.
Tanto si hablamos de emulación —bioinspiración— como de copia directa —biorréplica—, el diseño de materiales es el ámbito donde la biomimesis ha desembarcado con más fuerza. Y junto a él, la robótica. Investigadores de la Universidad de Berkeley mostraron en junio un robot bioinspirado en la capacidad de la cucaracha Blaberus discoidalis para salvar obstáculos en terrenos densos y desordenados con un simple giro lateral, gracias a la forma terradinámica de su exoesqueleto. El aparato, con igual forma discoide que el insecto, atravesó los mismos obstáculos sin tener que rodearlos, lo que constituye uno de los límites en robótica de uso terrestre.Un estudio estima que en 2025 representará 300.000 millones de dólares anuales del PIB de EE.UU.
En la Conferencia Internacional de Robótica y Automatización de Seattle de mayo, otro microrrobot tomó prestados los mecanismos de agarre de las patas del gecko y ciertos patrones morfológicos de las hormigas para conseguir que el vehículo, de solo 9 gramos de peso, trepara por una pared vertical de cristal sujetando a plomo un objeto de más de un kilo. El equivalente sería un hombre escalando un rascacielos con un elefante a cuestas. Sus creadores, de la Universidad de Stanford, piensan aumentar la escala para ulteriores aplicaciones en industria y construcción.
Investigación del Pentágono
El gecko es, por cierto, uno de los grandes campeones de la biomimética. Existen cientos de trabajos publicados sobre esta familia de lagartos, se han invertido millones de dólares en investigar sus patassuperadherentes y hay decenas de patentes en productos y servicios inspirados en ellas. Hay hasta un programa específico en la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de la Defensa (DARPA), el cerebro científico del Pentágono. Aún experimental, el programa Z-Man ha conseguido emular a Spiderman mediante unas planchas de tejido sintético recubierto de un polímero, similar a la microestructura de los dedos del gecko, que se adhiere a cualquier superficie debido a un fenómeno de atracción molecular, las fuerzas de Van der Waals.
El gecko trepa incluso cabeza abajo gracias a los enlaces físicos presentes en las espátulas de sus dedos. Es el tamaño y la forma de esas espátulas lo que afecta a la adhesión, que es reversible. El animal se suelta curvando los dedos hacia afuera y aflojando las fuerzas de atracción. Si George de Mestral dio un ejemplo pionero de biomimetismo al patentar el velcro —basado en un tipo de cardillo silvestre— en los años 50, una nueva generación de tejidos adhesivos inspirados en el gecko llegará más pronto que tarde a la industria y a los consumidores de a pie.
También llegarán los colectores solares de ala de mariposa o la pintura autolimpiable para coches, extraídos también de rasgos intrínsecos de estos insectos como la superhidrofobicidad y el color estructural; o los tejidos antibacterias con textura de piel de tiburón. Se generalizará la arquitectura biomimética, de la que ya hay ejemplos célebres como el hotel cáctus Qatar Sprouts, o los inmuebles con tecnologías de autolimpiado por el efecto loto —repelencia al agua y a la adhesión de partículas—. Y llegará a la gestión de ecosistemas, a la producción alimentaria o a la organización interna de las empresas. En todos sus niveles —imitar la forma o los procesos funcionales de organismos vivos—, la biomimética será el motor de la “nueva ola de innovación junto con la ecología industrial, las energías renovables, la nanotecnología, la química verde o el diseño sistémico”, precisa Quirós.
La palabra clave de este enfoque es sostenibilidad. El ser humano, el mono más listo de la clase, ha resultado ser también el único capaz de alterar el equilibrio natural a escala global, de agotar recursos y generar basura tóxica perpetua. “Necesitamos ayuda para diseñar un modelo de desarrollo sostenible y ya existe ahí fuera. La naturaleza sabe cómo hacerlo, lleva 3.850 millones de años adaptándose. No es ecologismo —apostilla—, es inteligencia evolutiva.”
Billones en juego
Hay mucho de economía y valor de mercado en juego en la biomimética. Grandes firmas internacionales —General Electric, Toyota, Nissan… — invierten millones en I+D bioinspirado. Un estudio encargado en 2010 por el zoológico de San Diego al Instituto de Negocios de la Universidad Point Loma-Nazarene (California) estima que para 2025 la biomimética representará 300.000 millones de dólares anuales del PIB de EE.UU. en aplicaciones industriales, desarrollos de ingeniería, patentes, etc., otros 50.000 millones en ahorro de recursos naturales y en reducción del CO2, así como 1,6 millones de puestos de trabajos. “Globalmente —añade el informe—, la biomimesis podría representar en torno a 1 billón de dólares del PIB en 15 años.”
En España, la presencia de la biomimética en el tejido empresarial es embrionaria, salvo en viveros tecnológicos o en el emprendimiento innovador —como el proyecto Biomival de diseño de una turbina undimotriz inspirada en el pico del flamenco rojo—. Las empresas se muestran más reacias. “Buscan soluciones directas e inmediatas a un problema”, señala Santiago González, ingeniero. “La biomimética es una herramienta de creatividad e innovación. Una forma de ver las cosas. Por eso, más que introducirlo en la empresa en busca de respuestas rápidas, lo importante es cambiar la mentalidad y que sea fuente de nuevas ideas para los retos que tenemos.” Sembrar para cosechar, como en la naturaleza.
En España, la presencia de la biomimética en el tejido empresarial es embrionaria, salvo en viveros tecnológicos o en el emprendimiento innovador —como el proyecto Biomival de diseño de una turbina undimotriz inspirada en el pico del flamenco rojo—. Las empresas se muestran más reacias. “Buscan soluciones directas e inmediatas a un problema”, señala Santiago González, ingeniero. “La biomimética es una herramienta de creatividad e innovación. Una forma de ver las cosas. Por eso, más que introducirlo en la empresa en busca de respuestas rápidas, lo importante es cambiar la mentalidad y que sea fuente de nuevas ideas para los retos que tenemos.” Sembrar para cosechar, como en la naturaleza.