La biomimética o biomimética es la emulación de 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 el de la biónica . [5]
La naturaleza ha evolucionado a lo largo de 3.800 millones de años desde que se estima que apareció la vida en la Tierra. [6] Ha evolucionado especies con alto rendimiento utilizando materiales comúnmente encontrados. 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 la nano, micro y macroescala, a menudo de manera jerárquica con una nanoarquitectura intrincada que, en última instancia, constituye una miríada de elementos funcionales diferentes. [7] Las propiedades de los materiales y las superficies resultan de una compleja interacción entre la estructura y la morfología de la superficie y las propiedades físicas y químicas. Muchos materiales, superficies y objetos en general aportan multifuncionalidad.
Ingenieros, científicos de materiales, químicos y biólogos han fabricado diversos materiales, estructuras y dispositivos con fines de interés comercial, y artistas y arquitectos con fines de 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.
Uno de los primeros ejemplos de biomimética fue el estudio de las aves para permitir el vuelo humano . Aunque nunca logró crear una "máquina voladora", Leonardo da Vinci (1452-1519) fue un agudo observador de la anatomía y el vuelo de las aves, e hizo 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]
Durante la década de 1950, el biofísico y erudito 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 imitaban sistemas naturales y en 1957 había percibido una visión inversa a la visión estándar de la biofísica en ese momento, una visión que llegaría a llamar biomimética. [10]
La biofísica no es tanto un tema como un punto de vista. Es una aproximación a los problemas de las ciencias biológicas utilizando la teoría y la tecnología de las ciencias físicas. Por el contrario, la biofísica es también el enfoque biólogo de los problemas de las ciencias físicas y la ingeniería, aunque este aspecto se ha descuidado en gran medida.
— Otto Herbert Schmitt, En agradecimiento, toda una vida de conexiones [12]
En 1960 Jack E. Steele acuñó un término similar, biónica , en la Base de la Fuerza 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 declaró:
Consideremos lo que la biónica ha llegado a significar operativamente y lo que ella o alguna palabra parecida (prefiero biomimética) debería significar para hacer un buen uso de las habilidades técnicas de los científicos que se especializan, o mejor dicho, desespecializan en esta materia. 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 llegado al Diccionario Webster . La biónica entró en el mismo diccionario a principios de 1960 como "una ciencia que se ocupa de la aplicación de datos sobre el funcionamiento de sistemas biológicos a la solución de problemas de ingeniería". Bionic adquirió una connotación diferente cuando Martin Caidin hizo referencia a Jack Steele y su trabajo en la novela Cyborg que luego resultó en la serie de televisión de 1974 The Six Million Dollar Man y sus derivados. El término biónico luego se asoció con "el uso de partes del cuerpo artificiales operadas electrónicamente" y "el aumento de los poderes humanos comunes con la ayuda de tales dispositivos" o como si lo hicieran. [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. [dieciséis]
El término biomimetismo apareció ya en 1982. [17] La biomimética fue popularizada por la científica y autora Janine Benyus en su libro de 1997 Biomimetismo: innovación inspirada por la naturaleza . La biomímesis 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 mirar a la Naturaleza como "Modelo, Medida y Mentora" y enfatiza la sostenibilidad como objetivo de la biomímesis. [18]
Uno de los últimos ejemplos de biomímesis lo han creado Johannes-Paul Fladerer y Ernst Kurzmann con la descripción de "managemANT". [19] Este término (una combinación de las palabras "gestión" y "hormiga") describe el uso de estrategias de comportamiento de las hormigas en estrategias económicas y de gestión. [20] Los posibles impactos a largo plazo de la biomímesis 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 de la biomímesis, que pueden verse con más detalle 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]
En principio, la biomimética podría aplicarse en muchos campos. Debido a la diversidad y complejidad de los sistemas biológicos, el número de características que pueden imitarse es grande. Las aplicaciones biomiméticas se encuentran en diversas etapas de desarrollo, desde tecnologías que podrían llegar a ser comercialmente utilizables hasta prototipos. [4] La ley de Murray , que en forma convencional determinaba el diámetro óptimo de los vasos sanguíneos, se ha vuelto a derivar para proporcionar ecuaciones simples para el diámetro de la tubería o tubo que proporciona un sistema de ingeniería de masa mínima. [22]
El diseño de alas de aviones [23] y las técnicas de vuelo [24] se están inspirando en pájaros y murciélagos. La aerodinámica del diseño aerodinámico del mejorado tren de alta velocidad japonés Shinkansen Serie 500 se modeló a partir del pico del pájaro martín pescador . [25]
Los biorobots basados en la fisiología y los métodos de locomoción de los animales incluyen BionicKangaroo , que se mueve como un canguro, ahorrando energía de un salto y transfiriéndola al siguiente; [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 los camarones para estudiar la natación metacrónica y los impactos ecológicos de esta marcha propulsora en el medio ambiente. . [28]
Los BFR se inspiran en mamíferos, aves o insectos voladores. Los BFR pueden tener alas batientes, que generan sustentación y empuje, o pueden ser accionados por hélice. Los BFR con alas batientes tienen 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 aves comparten características de vuelo y consideraciones de diseño similares. Por ejemplo, los BFR inspirados tanto en mamíferos como en aves minimizan el aleteo de los bordes y la curvatura de las puntas de las alas inducida 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] Ejemplos de BFR inspirados en murciélagos incluyen Bat Bot [31] y DALER. [32] Los BFR inspirados en mamíferos pueden diseñarse para que sean multimodales; por lo tanto, son capaces tanto de vuelo como de movimiento terrestre. Para reducir el impacto del aterrizaje, se pueden implementar amortiguadores a lo largo de las alas. [32] Alternativamente, el BFR puede inclinarse y aumentar la cantidad de resistencia que experimenta. [30] Al aumentar la fuerza de arrastre, el BFR desacelerará y minimizará el impacto al aterrizar. También se pueden implementar diferentes patrones de marcha en tierra. [30]
Los BFR inspirados en aves pueden inspirarse en aves rapaces, gaviotas y todo lo demás. Los BFR inspirados en pájaros se pueden emplumar para aumentar el ángulo de ataque sobre el cual el prototipo puede operar antes de entrar en pérdida. [33] Las alas de los BFR inspirados en pájaros 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 aves rapaces es el prototipo de Savastano et al. [34] El prototipo tiene alas batientes totalmente 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 encuentran que la generación de elevación se maximiza cuando las deformaciones del codo y la muñeca son opuestas pero iguales. [35]
Los BFR inspirados en insectos suelen inspirarse en escarabajos o libélulas. Un ejemplo de un BFR inspirado en un escarabajo es el prototipo de Phan y Park, [36] y un BFR inspirado en una libélula 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 ambientes 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.
Los seres vivos se han adaptado a un entorno en constante cambio durante la evolución mediante mutación, recombinación y selección. [39] La idea central de la filosofía biomimética es que los habitantes de la naturaleza, incluidos animales, plantas y microbios, tienen la mayor experiencia en la resolución de problemas y ya han encontrado las formas más apropiadas para perdurar en el planeta Tierra. [40] Del mismo modo, la arquitectura biomimética busca soluciones para construir la sostenibilidad presente en la naturaleza.
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. [41] Paralelamente, los avances recientes 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 sostenible que sigue un conjunto de principios en lugar de códigos estilísticos, yendo más allá del uso de la naturaleza como inspiración para los componentes estéticos de la forma construida, sino que busca utilizar la naturaleza para resolver problemas de funcionamiento del edificio. y ahorro de energía.
El término arquitectura biomimética se refiere al estudio y aplicación de principios constructivos que se encuentran en ambientes y especies naturales, y se traducen en el diseño de soluciones sustentables para la arquitectura. [39] La arquitectura biomimética utiliza la naturaleza como modelo, medida y mentora para proporcionar soluciones arquitectónicas a través de escalas, que se inspiran en organismos naturales que han resuelto problemas similares en la naturaleza. Usar la naturaleza como medida se refiere al uso de un estándar ecológico para medir la sostenibilidad y la eficiencia de las innovaciones hechas por el hombre, mientras que el término mentor se refiere a aprender de los principios naturales y usar la biología como fuente de inspiración. [18]
La arquitectura biomórfica, también conocida como biodecoración, [39] por otro lado, se refiere al uso de elementos formales y geométricos que se encuentran en la naturaleza, como fuente de inspiración para propiedades estéticas en la arquitectura diseñada, y no necesariamente puede tener efectos no deseados. -Funciones físicas o económicas. Un ejemplo histórico de arquitectura biomórfica se remonta a las culturas egipcia, griega y romana, utilizando formas de árboles y plantas en la ornamentación de columnas estructurales. [42]
Dentro de la arquitectura biomimética, se pueden identificar dos procedimientos básicos, a saber, el enfoque ascendente (empuje biológico) y el enfoque descendente (atracción tecnológica). [43] El límite entre los dos enfoques es borroso con la posibilidad de transición entre los dos, dependiendo de cada caso individual. La arquitectura biomimética generalmente se lleva a cabo en equipos interdisciplinarios en los que biólogos y otros científicos naturales trabajan en colaboración con ingenieros, científicos de materiales, arquitectos, diseñadores, matemáticos e informáticos.
En el enfoque ascendente, el punto de partida es un nuevo resultado de la investigación biológica básica que promete la implementación biomimética. Por ejemplo, desarrollar un sistema material biomimético tras el 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 posterior de un producto existente.
Los investigadores estudiaron la capacidad de las termitas para mantener una temperatura y humedad prácticamente constantes en sus montículos de termitas en África a pesar de las temperaturas exteriores que varían de 1,5 °C a 40 °C (35 °F a 104 °F). Inicialmente, los investigadores escanearon un montículo de termitas y crearon imágenes tridimensionales de la estructura del montículo, que revelaron una construcción que podría influir en el diseño de edificios humanos . El Eastgate Center , un complejo de oficinas de media altura en Harare , Zimbabwe , [44] se mantiene fresco mediante una arquitectura de refrigeración pasiva que utiliza sólo el 10% de la energía de un edificio convencional del mismo tamaño.
Los investigadores de la Universidad Sapienza de Roma se inspiraron en la ventilación natural de los termiteros y diseñaron una doble fachada que reduce significativamente las zonas iluminadas 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 ganado por radiación y aumentar la pérdida de calor por convección en la cavidad entre los dos paneles. La carga de refrigeración total del consumo de energía del edificio se redujo en un 15%. [45]
Se extrajo una inspiración similar de las paredes porosas de los montículos de termitas 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 importante transferencia de calor entre la superficie de la pared exterior del edificio y el aire que circula sobre ella. [46] 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 en las plantas. El sustrato vegetal húmedo favorece aún más el efecto refrescante. [47]
Los científicos de la Universidad de Shanghai pudieron replicar la compleja microestructura de la red de conductos hecha de arcilla en el montículo para imitar el excelente control de la humedad en los montículos. Propusieron un material poroso de control de la humedad (HCM) utilizando 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. [48] [49]
En ingeniería estructural, el Instituto Federal Suizo de Tecnología ( EPFL ) ha incorporado características biomiméticas en un puente de "tensegridad" adaptable y desplegable. El puente puede realizar autodiagnóstico y autorreparación. [50] La disposición de las hojas de una planta se ha adaptado para una mejor recolección de energía solar. [51]
El análisis de la deformación elástica que se produce cuando un polinizador aterriza en la parte de la flor Strelitzia reginae (conocida como flor del ave del paraíso ) ha inspirado a arquitectos y científicos de la Universidad de Friburgo y la Universidad de Stuttgart a crear sombras sin bisagras. sistemas que pueden reaccionar a su entorno. Estos productos bioinspirados se venden bajo el nombre de Flectofin. [52] [53]
Otros sistemas bioinspirados sin bisagras incluyen Flectofold. [54] Flectofold se ha inspirado en el sistema de captura desarrollado por la planta carnívora Aldrovanda vesiculosa .
Existe una gran necesidad de nuevos materiales estructurales que sean livianos pero que ofrezcan combinaciones excepcionales de rigidez , resistencia y tenacidad .
Dichos materiales tendrían que fabricarse 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. [55] 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 resistentes son débiles. Sin embargo, los materiales naturales con gradientes de materiales complejos y jerárquicos que van desde la nanoescala hasta la macroescala son fuertes y resistentes. 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 dichas estructuras conducirá a tecnologías avanzadas y más eficientes. El hueso , el nácar (concha de abulón), los dientes, las mazas dáctilas de los camarones estomatópodos y el bambú son excelentes ejemplos de materiales tolerantes al daño. [56] 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 proteínas hasta la escala fisiológica macroscópica. [57]
El nácar presenta propiedades mecánicas similares, aunque con una estructura bastante más simple. El nácar muestra una estructura similar a un 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). [58] Si bien ya se han producido 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. [56] Las células del pavimento , células epidérmicas en la superficie de las hojas y pétalos de las plantas, a menudo forman patrones ondulados entrelazados que se asemejan a las piezas de un rompecabezas y se ha demostrado que mejoran la resistencia a la fractura de las hojas, clave para la supervivencia de las plantas. [59] También se demostró que su patrón, replicado en muestras de poli(metacrilato de metilo) grabadas con láser , conduce a una mayor tenacidad a la fractura. Se sugiere que la disposición y el patrón de las células desempeñan un papel en la gestión de la propagación de grietas en los tejidos. [59]
La mineralización biomórfica es una técnica que produce materiales con morfologías y estructuras que se asemejan a las de los organismos vivos naturales mediante el uso de bioestructuras como plantillas para la mineralización. En comparación con otros métodos de producción de materiales, la mineralización biomórfica es sencilla, ambientalmente benigna y económica. [60]
Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley emplearon la fundición por congelación (plantillas de hielo), un método económico para imitar estructuras en capas naturales, para crear compuestos en capas de alúmina-Al-Si y epoxi IT HAP que igualan las propiedades mecánicas del hueso con un mineral equivalente. /contenido orgánico. [61] Varios estudios adicionales [62] [63] [64] [65] también emplearon métodos similares para producir compuestos de alta resistencia y alta tenacidad que involucran una variedad de fases constituyentes.
Estudios recientes demostraron la producción de construcciones de tejido macroscópico cohesivo y autoportante que imitan los tejidos vivos imprimiendo decenas de miles de gotitas de picolitros heterólogas en geometrías 3D de escala milimétrica definidas por software. [66] También se están realizando esfuerzos para imitar el diseño de nácar en materiales compuestos artificiales utilizando modelos de deposición fundida [67] y las estructuras helicoidales de mazas de estomatópodos en la fabricación de compuestos de fibra de carbono y epoxi de alto rendimiento. [68]
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 de múltiples materiales y la fundición deslizante asistida magnéticamente para imitar las complejas arquitecturas a microescala de los materiales naturales y proporcionar enormes margen para futuras investigaciones. [69] [70] [71]
La seda de araña es más resistente que el Kevlar utilizado en los chalecos antibalas . [72] En principio, los ingenieros podrían utilizar dicho material, si se pudiera rediseñar para que tuviera una vida 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 se han copiado para fabricar mejores herramientas de corte. [73]
También se han realizado nuevas cerámicas que presentan histéresis de electretos gigantes. [74]
Las computadoras y sensores neuromórficos son dispositivos eléctricos que copian la estructura y función de las neuronas biológicas para poder realizar cálculos. Un ejemplo de esto es la cámara de eventos en la que solo 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. [75]
En algunos sistemas biológicos, la autocuración se produce mediante liberaciones químicas en el sitio de la fractura, que inician una respuesta sistémica para transportar agentes reparadores al sitio de la fractura. Esto promueve la curación autónoma. [76] Para demostrar el uso de redes microvasculares para la curación autónoma, los investigadores desarrollaron una arquitectura de revestimiento-sustrato microvascular que imita la piel humana. [77] Se desarrollaron hidrogeles de color estructurales autocurativos de inspiración biológica que mantienen la estabilidad de una estructura de ópalo inverso y sus colores estructurales resultantes. [78] Se desarrolló una membrana autorreparable inspirada en los rápidos procesos de autosellado en las plantas para estructuras ligeras inflables, como botes de goma o construcciones Tensairity. Los investigadores aplicaron una capa fina y suave de espuma de poliuretano celular en el interior de un sustrato de tela, que cierra la grieta si se perfora la membrana con una púa. [79] Se han producido materiales autorreparantes , polímeros y materiales compuestos capaces de reparar grietas a base de materiales biológicos. [80]
Las propiedades de autocuración también se pueden lograr rompiendo y reformando los enlaces de hidrógeno tras la tensión cíclica del material. [81]
Las superficies que recrean las propiedades de la piel de tiburón están destinadas a permitir un movimiento más eficiente a través del agua. Se han hecho esfuerzos para producir telas que emulen la piel de tiburón. [22] [82]
Se están investigando biomiméticos de tensión superficial para tecnologías como recubrimientos y microactuadores hidrófobos o hidrófilos . [83] [84] [85] [86] [87]
Algunos anfibios, como las ranas arbóreas y de torrente y las salamandras arbóreas , son capaces de adherirse a ambientes húmedos o incluso inundados y moverse sobre ellos sin caerse. Este tipo de organismos tienen almohadillas en los dedos de los pies que están permanentemente humedecidas por el moco secretado por las glándulas que se abren en los canales entre las células epidérmicas. Se adhieren a las superficies de contacto mediante adhesión húmeda y son capaces de trepar por rocas mojadas 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 . [88] Se ha observado que los modelos de superficie jerárquica impresos en 3D, inspirados en el diseño de las almohadillas de los dedos de los pies de las ranas arbóreas y torrenteras, producen una mejor tracción en mojado que el diseño de neumáticos convencional. [89]
Los mejillones marinos pueden adherirse fácil y eficientemente a las superficies bajo el agua bajo 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 arrastradas por las fuertes corrientes marinas. Las proteínas de las patas de mejillón unen los filamentos a rocas, 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 con fines adhesivos . Investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara tomaron prestadas y simplificaron las químicas que utiliza la pata de mejillón para superar este desafío de ingeniería de la adhesión húmeda para crear copolianfolitos [90] y sistemas adhesivos de un componente [91] con potencial para su empleo en protocolos de nanofabricación . Otra investigación ha propuesto pegamento adhesivo a partir de mejillones .
Las almohadillas de fijación a las patas de varios animales, incluidos muchos insectos (p. ej., escarabajos y moscas ), arañas y lagartos (p. ej., geckos ), son capaces de adherirse a una variedad de superficies y se utilizan para la locomoción, incluso en paredes verticales o a través de techos. Los sistemas de unión 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 necesaria ] botas y cinta adhesiva. [92] También se han desarrollado setas sintéticas para la producción de adhesivos secos.
La superliquifobicidad se refiere a una propiedad superficial notable en la que una superficie sólida exhibe una aversión extrema a los líquidos, lo que hace que las gotas se formen gotas y se desprendan casi instantáneamente al contacto. Este comportamiento surge de intrincadas texturas superficiales e interacciones a nanoescala, lo que evita eficazmente que los líquidos se humedezcan o se adhieran a la superficie. El término "superliquifóbico" se deriva de " superhidrofóbico ", que describe superficies altamente resistentes al agua. Las superficies superliquifóbicas van más allá de la repelencia al agua y muestran características repelentes de una amplia gama de líquidos, incluidos aquellos con tensión superficial muy baja o que contienen tensioactivos. [2] [93]
La superliquifobicidad, un fenómeno notable, surge cuando una superficie sólida posee una rugosidad mínima, formando interfaces con gotas al mojarse y alterando 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, influyendo 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 fraccionaria (fLA ) y Rf , lo que lleva a superficies que repelen activamente los líquidos. [94] [95]
La inspiración para crear estas superficies proviene del ingenio de la naturaleza, ilustrado de manera destacada por el famoso " efecto loto ". Las hojas de plantas repelentes al agua, como el loto, exhiben estructuras jerárquicas inherentes con formaciones recubiertas de cera a nanoescala. [96] [97] Estas estructuras conducen a la superhidrofobicidad, donde las gotas de agua se posan sobre las burbujas de aire atrapadas, lo que resulta en ángulos de contacto altos y una histéresis de ángulo de contacto mínima. Este ejemplo natural guía el desarrollo de superficies superliquifóbicas, aprovechando geometrías reentrantes que pueden repeler líquidos de baja tensión superficial y lograr ángulos de contacto cercanos a cero. [98]
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 un camino para aplicaciones prácticas en diversos campos. Estas superficies encuentran utilidad en autolimpieza, antihielo, antivaho, antiincrustante y más, presentando soluciones innovadoras a los desafíos de la biomedicina, la desalinización y la 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 inmensamente prometedoras en una variedad de aplicaciones, prometiendo funcionalidad y rendimiento mejorados en diversos contextos tecnológicos e industriales.
Los materiales biomiméticos están ganando cada vez más atención en el campo de la óptica y la fotónica . Todavía se conocen poco productos bioinspirados o biomiméticos que involucren las propiedades fotónicas de plantas o animales. Sin embargo, comprender cómo la naturaleza diseñó tales materiales ópticos a partir de recursos biológicos es un campo de investigación actual.
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Una fuente de inspiración biomimética proviene de las plantas . Las plantas han demostrado ser generaciones de conceptos para las siguientes funciones; re(acción)-acoplamiento, auto (adaptabilidad), 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 tanto, reaccionan ante múltiples estímulos como la luz, el calor y la humedad. [99]
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 artificiales Venus atrapamoscas). A través del movimiento durante la captura de presas, la planta inspiró sistemas de movimiento robótico suave. El rápido pandeo rápido (dentro de 100 a 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. [99]
Otro ejemplo de plantas imitadoras es la Pollia condensata , también conocida como baya de mármol. El autoensamblaje quiral de celulosa inspirado en la baya Pollia condensata se ha aprovechado para fabricar películas ópticamente activas. [100] [101] Estas películas están hechas de celulosa, que es un recurso biodegradable y de base biológica que se obtiene de la madera o el algodón. Los colores estructurales pueden ser potencialmente eternos y tener colores más vibrantes que los obtenidos por 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 . [102] Estas frutas muestran colores iridiscentes en la región azul-verde del espectro visible, lo que le da a la fruta una apariencia visual fuerte, metálica y brillante. [103] Los colores estructurales provienen de la organización de cadenas de celulosa en el epicarpio del fruto , una parte de la piel del fruto. [103] 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 en 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 . [104]
The fruit of Elaeocarpus angustifolius also show structural colour that come arises from the presence of specialised cells called iridosomes which have layered structures.[103] Similar iridosomes have also been found in Delarbrea michieana fruits.[103]
In plants, multi layer structures can be found either at the surface of the leaves (on top of the epidermis), such as in Selaginella willdenowii[103] or within specialized intra-cellular organelles, the so-called iridoplasts, which are located inside the cells of the upper epidermis.[103] For instance, the rain forest plants Begonia pavonina have iridoplasts located inside the epidermal cells.[103]
Structural colours have also been found in several algae, such as in the red alga Chondrus crispus (Irish Moss).[105]
Structural coloration produces the rainbow colours of soap bubbles, butterfly wings and many beetle scales.[106][107] Phase-separation has been used to fabricate ultra-white scattering membranes from polymethylmethacrylate, mimicking the beetle Cyphochilus.[108] LED lights can be designed to mimic the patterns of scales on fireflies' abdomens, improving their efficiency.[109]
Morpho butterfly wings are structurally coloured to produce a vibrant blue that does not vary with angle.[110] This effect can be mimicked by a variety of technologies.[111] Lotus Cars claim to have developed a paint that mimics the Morpho butterfly's structural blue colour.[112] In 2007, Qualcomm commercialised an interferometric modulator display technology, "Mirasol", using Morpho-like optical interference.[113] In 2010, the dressmaker Donna Sgro made a dress from Teijin Fibers' Morphotex, an undyed fabric woven from structurally coloured fibres, mimicking the microstructure of Morpho butterfly wing scales.[114][115][116][117][118]
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 recubrimiento, lo que reduce significativamente el destello de la lente . Esto imita la estructura del ojo de una polilla. [119] [120] Figuras notables como los hermanos Wright y Leonardo da Vinci intentaron replicar el vuelo observado en las aves. [121] En un esfuerzo por reducir el ruido de los aviones, los investigadores han analizado el borde de ataque de las plumas del búho, que tienen una serie de pequeñas aletas o raquis adaptados para dispersar la presión aerodinámica y proporcionar un vuelo casi silencioso al ave. [122]
El pastoreo planificado holístico , utilizando cercas y/o pastores , busca restaurar los pastizales planificando cuidadosamente los movimientos de grandes rebaños de ganado para imitar los vastos rebaños que se encuentran en la naturaleza. El sistema natural que se imita y se utiliza como modelo consiste en 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. Desarrollado por Allan Savory , [123] quien a su vez se inspiró en el trabajo de André Voisin , este método de pastoreo tiene un enorme potencial para construir suelo, [124] aumentar la biodiversidad, [125] revertir la desertificación , [126] y mitigar el calentamiento global. , [127] [128] similar a lo que ocurrió durante los últimos 40 millones de años cuando la expansión de los ecosistemas de pastoreo construyó suelos de pastizales profundos , secuestrando carbono y enfriando el planeta. [129]
La permacultura es un conjunto de principios de diseño centrados en el pensamiento de sistemas completos, simulando o utilizando directamente los patrones y características resilientes observados en los ecosistemas naturales. Utiliza estos principios en un número creciente de campos, desde la agricultura regenerativa , la reconstrucción, la comunidad y el diseño y desarrollo organizacional.
Algunos sistemas de aire acondicionado utilizan biomimetismo en sus ventiladores para aumentar el flujo de aire y reducir el consumo de energía. [130] [131]
Tecnólogos como Jas Johl han especulado que la funcionalidad de las células vacuolas podría usarse para diseñar sistemas de seguridad altamente adaptables. [132] "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 ni tamaño básico; su estructura varía según los requerimientos de la célula. Las vacuolas no sólo aíslan las amenazas, contienen lo necesario, exportan desechos y mantienen la presión, sino que también ayudan a que la célula crezca y crezca. Johl sostiene que estas funciones son necesarias para cualquier diseño de sistema de seguridad. [132] El Shinkansen 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. [133] Con referencia a los viajes espaciales, la NASA y otras empresas han tratado de 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. [134]
El plegamiento de proteínas se ha utilizado para controlar la formación de materiales para nanoestructuras funcionales autoensambladas . [135] La piel de oso polar ha inspirado el diseño de colectores térmicos y ropa. [136] Las propiedades refractivas de la luz del ojo de la polilla se han estudiado para reducir la reflectividad de los paneles solares. [137]
El potente spray repelente del escarabajo Bombardier inspiró a una empresa sueca a desarrollar una tecnología de pulverización de "microniebla", que se afirma tiene un impacto bajo en carbono (en comparación con los aerosoles). El escarabajo mezcla productos químicos y libera su spray a través de una boquilla orientable al final de su abdomen, picando y confundiendo a la víctima. [138]
La mayoría de los virus tienen una cápsula exterior 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. [60] Las cápsulas virales se pueden utilizar para crear componentes de nanodispositivos, como nanocables, nanotubos y puntos cuánticos. Las partículas de virus tubulares, como el virus del mosaico del tabaco (TMV), se pueden utilizar como plantillas para crear nanofibras y nanotubos, ya que tanto la capa interna como la externa del virus son superficies cargadas que pueden inducir la nucleación del crecimiento de cristales. Esto se demostró mediante la producción de nanotubos de platino y oro utilizando TMV como plantilla. [139] Se ha demostrado que las partículas de virus 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. [140] Un virus vegetal esférico llamado virus del moteado clorótico del caupí (CCMV) tiene interesantes propiedades de expansión cuando se expone a ambientes con un pH superior a 6,5. Por encima de este pH, 60 poros independientes con diámetros de aproximadamente 2 nm comienzan a intercambiar sustancia con el medio ambiente. La transición estructural de la cápside viral se puede utilizar en la mineralización biomórfica para la absorción y deposición selectiva de minerales controlando el pH de la solución. Las posibles aplicaciones incluyen el uso de la jaula viral para producir nanopartículas semiconductoras de puntos cuánticos de tamaño y forma uniformes a través de una serie de lavados de pH. Esta es una alternativa a la técnica de jaula de apoferritina que se utiliza actualmente para sintetizar nanopartículas de CdSe uniformes. [141] Dichos materiales también podrían usarse para la administración dirigida de fármacos, ya que las partículas liberan contenidos al exponerse a niveles de pH específicos.
{{cite book}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )Según Wilbur, él y su hermano descubrieron el método de control lateral de las aves un día mientras observaban un vuelo de palomas. [...] "Aunque observábamos atentamente a los pájaros volar con la esperanza de aprender algo de ellos", escribió [Orville] en 1941, "no puedo pensar en nada que se haya aprendido por primera vez de esa manera".
Desarrolló el desencadenante estudiando los nervios de los calamares e intentando diseñar un dispositivo que replicara el sistema natural mediante el cual se propagan los nervios de los calamares.
MORPHOTEX, la primera fibra coloreada estructuralmente del mundo, presenta una estructura de pila con varias decenas de capas de nanoorden de fibras de poliéster y nailon con diferentes índices de refracción, lo que facilita el control del color mediante tomografía de coherencia óptica.
El control estructural significa que una sola fibra siempre mostrará los mismos colores independientemente de su ubicación.
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