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cinta de velcro
Los pequeños ganchos de las frutas de fresa (izquierda) inspiraron la cinta de velcro (derecha).

La biomimética o biomimetismo es la emulación de modelos, sistemas y elementos de la naturaleza con el propósito de resolver problemas humanos complejos . [1] Los términos "biomiméticos" y "biomimetismo" se derivan del griego antiguo : βίος ( bios ), vida y μίμησις ( mīmēsis ), imitación, de μιμεῖσθαι ( mīmeisthai ), imitar, de μῖμος ( mimos ), actor. Un campo estrechamente relacionado es la biónica . [2]

Los organismos vivos han desarrollado estructuras y materiales bien adaptados a lo largo del tiempo geológico a través de la selección natural . La biomimética ha dado lugar a nuevas tecnologías inspiradas en soluciones biológicas a macro y nanoescala. Los seres humanos hemos buscado en la naturaleza respuestas a los problemas a lo largo de nuestra existencia. 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.

Historia [ editar ]

Uno de los primeros ejemplos de biomimetismo fue el estudio de las aves para permitir el vuelo humano . Aunque nunca tuvo éxito en la creación de una "máquina voladora", Leonardo da Vinci (1452-1519) fue un agudo observador de la anatomía y el vuelo de las aves, e hizo numerosas notas y bocetos de sus observaciones, así como bocetos de "máquinas voladoras". [3] Los hermanos Wright , que consiguieron pilotar el primer avión más pesado que el aire en 1903, supuestamente se inspiraron en las observaciones de palomas en vuelo. [4]

El diseño de Leonardo da Vinci para una máquina voladora con alas basadas en la estructura de las alas de los murciélagos.

Durante la década de 1950, el biofísico y erudito estadounidense Otto Schmitt desarrolló el concepto de "biomimética". [5] Durante su investigación doctoral, desarrolló el disparador de Schmitt al estudiar los nervios en el calamar, intentando diseñar un dispositivo que replicara el sistema biológico de propagación nerviosa . [6] Continuó concentrándose en dispositivos que imitan los 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. [5]

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

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

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". [2] [7] Durante una reunión posterior en 1963, Schmitt declaró:

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

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

En 1969, Schmitt usó el término "biomimético" en el título de uno de sus artículos, [8] y en 1974 había encontrado su camino en el Diccionario Webster , la biónica ingresó al mismo diccionario a principios de 1960 como "una ciencia relacionada con la aplicación de datos sobre el funcionamiento de sistemas biológicos para 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 más tarde 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 corporales artificiales operadas electrónicamente" y "tener poderes humanos ordinarios incrementados por o como si fuera con la ayuda de tales dispositivos". [9] Debido a que el término biónica asumió la implicación de fuerza sobrenatural, la comunidad científica en Inglés países de habla abandonado en gran medida la misma. [10]

El término biomimetismo apareció ya en 1982. [11] El biomimetismo fue popularizado por la científica y autora Janine Benyus en su libro de 1997 Biomimicry: Innovation Inspired by Nature . La biomimetismo se define en el libro como una "nueva ciencia que estudia los modelos de la naturaleza y luego imita o se inspira en estos diseños y procesos para resolver problemas humanos". Benyus sugiere mirar a la naturaleza como un "modelo, medida y mentor" y enfatiza la sostenibilidad como un objetivo de la biomimetismo. [12]

Uno de los últimos ejemplos de biomimetismo ha sido creado por Johannes-Paul Fladerer y Ernst Kurzmann mediante la descripción de "managemANT". [13] Este término (una combinación de las palabras "manejo" y "hormiga"), describe el uso de estrategias de comportamiento de las hormigas en estrategias económicas y de manejo. [14]

Tecnologías bioinspiradas [ editar ]

En principio, la biomimética podría aplicarse en muchos campos. Debido a la diversidad y complejidad de los sistemas biológicos, la cantidad de características que pueden imitarse es grande. Las aplicaciones biomiméticas se encuentran en diversas etapas de desarrollo, desde tecnologías que podrían volverse comercialmente utilizables hasta prototipos. [15] 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, lo que proporciona un sistema de ingeniería de masa mínima. [dieciséis]

Locomoción [ editar ]

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

El diseño de las alas de las aeronaves [17] y las técnicas de vuelo [18] se inspiran en pájaros y murciélagos. La aerodinámica del diseño aerodinámico del tren de alta velocidad japonés mejorado Shinkansen Serie 500 se inspiró en el pico del pájaro martín pescador . [19]

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. [20] Kamigami Robots , un juguete para niños, imita la locomoción de las cucarachas para correr rápida y eficientemente sobre superficies interiores y exteriores. [21]

Arquitectura biomimética [ editar ]

Los seres vivos se han adaptado a un entorno en constante cambio durante la evolución mediante mutación, recombinación y selección. [22] La idea central de la filosofía biomimética es que los habitantes de la naturaleza, incluidos los animales, las plantas y los microbios, tienen la mayor experiencia en la resolución de problemas y ya han encontrado las formas más adecuadas de sobrevivir en el planeta Tierra. [23] Asimismo, la arquitectura biomimética busca soluciones para la edificación de la sostenibilidad presentes en la naturaleza.

El siglo XXI ha sido testigo de un derroche de energía omnipresente debido a diseños de edificios ineficientes, además de la sobreutilización de energía durante la fase operativa de su ciclo de vida. [24] 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. [22] 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 más que códigos estilísticos, yendo más allá de usar la naturaleza como inspiración para los componentes estéticos de la forma construida, sino que busca usar la naturaleza para resolver problemas de funcionamiento del edificio y ahorrar energía.

Características [ editar ]

El término arquitectura biomimética se refiere al estudio y aplicación de principios constructivos que se encuentran en entornos naturales y especies, y se traducen en el diseño de soluciones sostenibles para la arquitectura. [22] La arquitectura biomimética utiliza la naturaleza como modelo, medida y mentor para proporcionar soluciones arquitectónicas a través de escalas, que se inspiran en organismos naturales que han resuelto problemas similares en la naturaleza. El uso de la naturaleza como medida se refiere al uso de un estándar ecológico para medir la sostenibilidad y la eficiencia de las innovaciones creadas por el hombre, mientras que el término mentor se refiere al aprendizaje de los principios naturales y al uso de la biología como fuente de inspiración. [12]

La arquitectura biomórfica, también conocida como Biodecoración, [22] por otro lado, se refiere al uso de elementos formales y geométricos que se encuentran en la naturaleza, como fuente de inspiración para las propiedades estéticas en la arquitectura diseñada, y no necesariamente -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. [25]

Procedimientos [ editar ]

Dentro de la arquitectura biomimética, se pueden identificar dos procedimientos básicos, a saber, el enfoque de abajo hacia arriba (empuje de la biología) y el enfoque de arriba hacia abajo (empuje de la tecnología). [26] El límite entre los dos enfoques es borroso con la posibilidad de transición entre los dos, dependiendo de cada caso individual. La arquitectura biomimética se lleva a cabo típicamente en equipos interdisciplinarios en los que los biólogos y otros científicos naturales trabajan en colaboración con ingenieros, científicos de materiales, arquitectos, diseñadores, matemáticos e informáticos.

En el enfoque de abajo hacia arriba, el punto de partida es un nuevo resultado de la investigación biológica básica prometedora para la implementación biomimética. Por ejemplo, desarrollar un sistema de material biomimético después del análisis cuantitativo de las propiedades mecánicas, físicas y químicas de un sistema biológico.

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

Ejemplos [ editar ]

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). Los investigadores inicialmente escanearon un montículo de termitas y crearon imágenes en 3-D 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 mediana altura en Harare , Zimbabwe , [27] se mantiene fresco sin aire acondicionado y utiliza solo el 10% de la energía de un edificio convencional del mismo tamaño.

Se está ensamblando una fachada de doble piel Waagner-Biro en One Angel Square , Manchester . La fachada exterior marrón se puede ver ensamblada a la fachada blanca interior a través de puntales. Estos puntales crean una pasarela entre ambas 'pieles' para ventilación, protección solar y mantenimiento.

Los investigadores de la Universidad Sapienza de Roma se inspiraron en la ventilación natural en los montículos de termitas y diseñaron una fachada doble que reduce significativamente las áreas 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 total de refrigeración sobre el consumo de energía del edificio se redujo en un 15%. [28]

Una inspiración similar se extrajo de las paredes porosas de los termiteros para diseñar una fachada con ventilación natural 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 el aire ascendente en la ranura de ventilación. Se observó una transferencia significativa de calor entre la superficie de la pared externa del edificio y el aire que fluye sobre ella. [29] El diseño se combina con el enverdecimiento de la fachada. La pared verde facilita el 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 de enfriamiento. [30]

Sepiolita en forma sólida

Los científicos de la Universidad de Shanghai pudieron replicar la compleja microestructura de la red de conductos de arcilla en el montículo para imitar el excelente control de la humedad en los montículos. Propusieron un material poroso para el 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 reservorio. La resistencia a la flexión del material propuesto se estimó en 10,3 MPa utilizando simulaciones computacionales. [31] [32]

En ingeniería estructural, el Instituto Federal Suizo de Tecnología ( EPFL ) ha incorporado características biomiméticas en un puente de "tensegridad" desplegable adaptable. El puente puede realizar autodiagnóstico y autorreparación. [33] La disposición de las hojas en una planta se ha adaptado para una mejor captación de energía solar. [34]

El análisis de la deformación elástica que ocurre cuando un polinizador aterriza en la parte de la percha en forma de vaina de la flor Strelitzia reginae (conocida como flor Ave del paraíso ) ha inspirado a arquitectos y científicos de la Universidad de Friburgo y la Universidad de Stuttgart a crear un sombreado sin bisagras. sistemas que pueden reaccionar a su entorno. Estos productos bioinspirados se venden bajo el nombre de Flectofin. [35] [36]

Otros sistemas bioinspirados sin bisagras incluyen Flectofold. [37] Flectofold se ha inspirado en el sistema de captura desarrollado por la planta carnívora Aldrovanda vesiculosa .

Materiales estructurales [ editar ]

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 en materiales a granel con formas complejas a alto volumen y bajo costo y servirían para una variedad de campos como la construcción, el transporte, el almacenamiento de energía y la conversión. [38] En un problema de diseño clásico, es más probable que la resistencia y la tenacidad sean mutuamente excluyentes, es decir, los materiales fuertes son frágiles y los materiales duros son débiles. Sin embargo, los materiales naturales con gradientes de materiales complejos y jerárquicos que abarcan desde nano- a macro-escalas 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 tales estructuras conducirá a tecnologías avanzadas y más eficientes. El hueso , el nácar (concha de abulón), los dientes, las mazas de dáctilos de los camarones estomatópodos y el bambú son excelentes ejemplos de materiales tolerantes al daño. [39] La excepcional resistencia a la fracturadel hueso se debe a complejos mecanismos de deformación y endurecimiento que operan en diferentes escalas de tamaño, desde la estructura a nanoescala de las moléculas de proteína hasta la escala fisiológica macroscópica. [40]

Imagen de microscopía electrónica de una superficie fracturada de nácar

El nácar presenta propiedades mecánicas similares, sin embargo, con una estructura bastante más simple. El nácar muestra una estructura similar a un ladrillo y mortero con una capa mineral gruesa (0,2.90,9 μm) de estructuras de aragonito muy compactas y una matriz orgánica delgada (nm20 nm). [41] Si bien ya se producen películas delgadas y muestras de tamaño micrométrico que imitan estas estructuras, aún no se ha logrado la producción exitosa de materiales estructurales biomiméticos a granel. Sin embargo, se han propuesto numerosas técnicas de procesamiento para producir materiales similares al nácar. [39]

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 fácil, ambientalmente benigna y económica. [42]

Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley emplearon la fundición por congelación (plantilla de hielo), un método económico para imitar estructuras en capas naturales para crear compuestos en capas de alúmina-Al-Si e IT HAP-epoxi que combinan las propiedades mecánicas del hueso con un mineral equivalente / contenido orgánico. [43] Varios estudios adicionales [44] [45] [46] [47] también emplearon métodos similares para producir compuestos de alta resistencia y alta tenacidad que implican una variedad de fases constituyentes.

Estudios recientes demostraron la producción de construcciones de tejido macroscópicas cohesivas y autosuficientes que imitan los tejidos vivos mediante la impresión de decenas de miles de gotitas heterólogas de picolitros en geometrías 3D de escala milimétrica definidas por software. [48] También se realizan esfuerzos para imitar el diseño de nácar en materiales compuestos artificiales utilizando modelos de deposición fundida [49] y las estructuras helicoidales de mazas de estomatópodos en la fabricación de compuestos epoxi de fibra de carbono de alto rendimiento . [50]

También se han utilizado varias tecnologías de fabricación aditiva establecidas y novedosas 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 arquitecturas complejas a microescala de materiales naturales y proporcionar enormes alcance para la investigación futura. [51]

La seda de araña es más resistente que el Kevlar utilizado en los chalecos antibalas . [52] Los ingenieros podrían, en principio, utilizar un material de este tipo, si pudiera rediseñarse para tener una vida lo suficientemente larga, para líneas de paracaídas, cables de puentes colgantes, ligamentos artificiales para la medicina y otros fines. [12] Los dientes autoafilables de muchos animales se han copiado para hacer mejores herramientas de corte. [53]

También se han realizado nuevas cerámicas que exhiben histéresis de electret gigante. [54]

Materiales de autocuración [ editar ]

En general, en los sistemas biológicos, la autocuración se produce a través de señales químicas liberadas en el sitio de la fractura que inician una respuesta sistémica que transporta agentes reparadores al sitio de la fractura promoviendo así la curación autónoma. [55] Para demostrar el uso de redes microvasculares para la curación autónoma, los investigadores desarrollaron una arquitectura de sustrato de recubrimiento microvascular que imita la piel humana. [56] Se desarrollaron hidrogeles de color estructural autocurativos bioinspirados que mantienen la estabilidad de una estructura de ópalo inverso y sus colores estructurales resultantes. [57]Se desarrolló una membrana autorreparable inspirada en procesos rápidos de autosellado en plantas para estructuras inflables ligeras como botes de goma o construcciones Tensairity. Los investigadores aplicaron una fina capa de espuma de poliuretano celular suave en el interior de un sustrato de tela, que cierra la grieta si la membrana se perfora con una púa. [58] Se han producido materiales autorreparables , polímeros y materiales compuestos capaces de reparar grietas a partir de materiales biológicos. [59]

Las propiedades de autocuración también se pueden lograr rompiendo y reformando los enlaces de hidrógeno tras la tensión cíclica del material. [60]

Superficies [ editar ]

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 realizado esfuerzos para producir un tejido que emule la piel de tiburón. [16] [61]

Se están investigando biomiméticos de tensión superficial para tecnologías tales como microactuadores y recubrimientos hidrófobos o hidrófilos . [62] [63] [64] [65] [66]

Adhesión [ editar ]

Adhesión húmeda [ editar ]

Algunos anfibios, como las ranas arbóreas y de torrentes y las salamandras arbóreas , pueden adherirse y moverse sobre ambientes húmedos o incluso inundados sin caerse. Este tipo de organismos tienen almohadillas en los dedos de los pies que están permanentemente mojadas por el moco secretado por las glándulas que se abren a los canales entre las células epidérmicas. Se adhieren a las superficies de acoplamiento por adhesión húmeda y son capaces de trepar sobre rocas mojadas incluso cuando el agua fluye sobre la superficie. [67] Las huellas de los neumáticos también se han inspirado en las almohadillas de los dedos de las ranas arborícolas . [68]

Los mejillones marinos pueden adherirse fácil y eficientemente a superficies bajo el agua bajo las duras condiciones del océano. Los mejillones usan filamentos fuertes para adherirse a las rocas en las zonas intermareales de las playas barridas por las olas, evitando que sean arrastrados por las fuertes corrientes marinas. Las proteínas del pie 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 para fines adhesivos . Investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara tomaron prestadas y simplificaron las químicas que usa el pie de mejillón para superar este desafío de ingeniería de adhesión húmeda para crear copoliampholytes, [69]y sistemas adhesivos de un componente [70] con potencial de empleo en protocolos de nanofabricación . Otra investigación ha propuesto pegamento adhesivo de mejillones .

Adhesión en seco [ editar ]

Las almohadillas de sujeción de patas de varios animales, incluidos muchos insectos (p. Ej., Escarabajos y moscas ), arañas y lagartos (p. Ej. Geckos ), pueden adherirse a una variedad de superficies y se utilizan para la locomoción, incluso en paredes verticales o en techos. Los sistemas de unión en estos organismos tienen estructuras similares en sus elementos terminales de contacto, conocidas como setas . Estos ejemplos biológicos han servido de inspiración para producir robots trepadores, [71] botas y cintas. [72] También se han desarrollado pelotas sintéticas para la producción de adhesivos secos.

Óptica [ editar ]

Más información: coloración estructural , patrones en la naturaleza y fotónica bioinspirada

Los materiales biomiméticos están ganando cada vez más atención en el campo de la óptica y la fotónica . Todavía se conocen pocos productos bioinspirados o biomiméticos que involucren las propiedades fotónicas de plantas o animales. Sin embargo, vale la pena intentar comprender cómo la naturaleza diseñó tales materiales ópticos a partir de recursos biológicos y podría conducir a futuros productos comerciales.

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

Inspiración de frutas y plantas [ editar ]

Por ejemplo, el autoensamblaje quiral de celulosa inspirado en la baya Pollia condensata se ha aprovechado para hacer películas ópticamente activas. [73] [74] Estas películas están hechas de celulosa, que es un recurso biodegradable y de base biológica obtenido de la madera o el algodón. Los colores estructurales pueden ser potencialmente eternos y tener un color más vibrante que los obtenidos por absorción química de la luz. Pollia condensata no es la única fruta que presenta una piel de color estructural; la iridiscencia también se encuentra en bayas de otras especies como Margaritaria nobilis . [75] Estas frutas se muestran iridiscentes.colores en la región azul-verde del espectro visible que le da a la fruta un aspecto visual metálico y brillante fuerte. [76] Los colores estructurales provienen de la organización de las cadenas de celulosa en el epicarpio de la fruta , una parte de la piel de la fruta. [76] Cada célula del epicarpio está formada por una envoltura de varias capas que se comporta como un reflector de Bragg . Sin embargo, la luz que se refleja en la piel de estos frutos no está polarizada, a diferencia de la que surge de las réplicas artificiales obtenidas del autoensamblaje de nanocristales de celulosa en helicoides, que solo reflejan la luz polarizada circularmente para zurdos . [77]

El fruto de Elaeocarpus angustifolius también muestra un color estructural que proviene de la presencia de células especializadas llamadas iridosomas que tienen estructuras estratificadas. [76] También se han encontrado iridosomas similares en frutos de Delarbrea michieana . [76]

En las plantas, las estructuras multicapa se pueden encontrar en la superficie de las hojas (en la parte superior de la epidermis), como en Selaginella willdenowii [76] o dentro de orgánulos intracelulares especializados, los llamados iridoplastos, que se encuentran dentro las células de la epidermis superior. [76] Por ejemplo, las plantas de la selva tropical Begonia pavonina tienen iridoplastos ubicados dentro de las células epidérmicas. [76]

También se han encontrado colores estructurales en varias algas, como en el alga roja Chondrus crispus (musgo irlandés). [78]

Inspiración de los animales [ editar ]

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

La coloración estructural produce los colores del arco iris de pompas de jabón , alas de mariposa y muchas escamas de escarabajos. [79] [80] separación de fases se ha utilizado para fabricar ultra- blancas de dispersión de membranas a partir de polimetilmetacrilato , imitando el escarabajo Cyphochilus . [81] Las luces LED pueden diseñarse para imitar los patrones de escamas en el abdomen de las luciérnagas , mejorando su eficiencia. [82]

Las alas de la mariposa Morpho están coloreadas estructuralmente para producir un azul vibrante que no varía con el ángulo. [83] Este efecto puede ser imitado por una variedad de tecnologías. [84] Lotus Cars afirma haber desarrollado una pintura que imita elcolor azul estructural de la mariposa Morpho . [85] En 2007, Qualcomm comercializó unatecnología de visualización de modulador interferométrico , "Mirasol", utilizandointerferencia óptica similar a Morpho . [86] En 2010, la modista Donna Sgro hizo un vestido de Morphotex de Teijin Fibers ., una tela sin teñir tejida a partir de fibras estructuralmente coloreadas, que imita la microestructura de las escamas de las alas de la mariposa Morpho . [87] [88] [89] [90] [91]

El revestimiento de estructura SubWavelength de Canon Inc. utiliza estructuras en forma de cuña del tamaño de la longitud de onda de la luz visible. Las estructuras en forma de cuña provocan un índice de refracción que cambia continuamente a medida que la luz viaja a través del revestimiento, lo que reduce significativamente el destello de la lente . Esto imita la estructura del ojo de una polilla. [92] [93] Figuras notables como los hermanos Wright y Leonardo da Vinci intentaron replicar el vuelo observado en las aves. [94] En un esfuerzo por reducir el ruido de los aviones, los investigadores han buscado el borde de ataque de las plumas de búho, que tienen una serie de pequeñas aletas o raquis adaptados para dispersar la presión aerodinámica y proporcionar un vuelo casi silencioso al ave. [95]

Sistemas agrícolas [ editar ]

El pastoreo planificado de manera integral , utilizando cercas y / o pastores , busca restaurar los pastizales planificando cuidadosamente los movimientos de grandes rebaños de ganado para imitar los grandes rebaños que se encuentran en la naturaleza. El sistema natural que se imita y se utiliza como modelo es el de animales de pastoreo concentrados por depredadores de 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 , [96] quien a su vez se inspiró en el trabajo de André Voisin , este método de pastoreo tiene un tremendo potencial en la construcción del suelo, [97] aumentando la biodiversidad, [98]revertir la desertificación, [99] y mitigar el calentamiento global, [100] [101] similar a lo que ocurrió durante los últimos 40 millones de años cuando la expansión de los ecosistemas herbívoros construyó suelos de pastizales profundos , secuestrando carbono y enfriando el planeta. [102]

La permacultura es un conjunto de principios de diseño centrados en el pensamiento de sistemas completos, simulando o utilizando directamente los patrones y las características resilientes que se observan en los ecosistemas naturales. Utiliza estos principios en un número creciente de campos de la agricultura regenerativa, la reconstrucción, la comunidad y el diseño y desarrollo organizacional.

Otros usos [ editar ]

Algunos sistemas de aire acondicionado utilizan biomimetismo en sus ventiladores para aumentar el flujo de aire y reducir el consumo de energía. [103] [104]

Tecnólogos como Jas Johl han especulado que la funcionalidad de las células de vacuola podría usarse para diseñar sistemas de seguridad altamente adaptables. [105] "La funcionalidad de una vacuola, una estructura biológica que protege y promueve el crecimiento, ilumina el valor de la adaptabilidad como principio rector de la seguridad". Las funciones y el significado de las vacuolas son de naturaleza fractal, el orgánulo no tiene forma o tamaño básicos; su estructura varía según los requisitos de la celda. Las vacuolas no solo aíslan las amenazas, contienen lo necesario, exportan desechos, mantienen la presión, sino que también ayudan a la célula a crecer y escalar. Johl sostiene que estas funciones son necesarias para el diseño de cualquier sistema de seguridad. [105] El Series Shinkansen 500utilizó biomimetismo para reducir el consumo de energía y los niveles de ruido al tiempo que aumentaba la comodidad de los pasajeros. [106] Con referencia a los viajes espaciales, la NASA y otras empresas han buscado desarrollar drones espaciales de tipo enjambre inspirados en patrones de comportamiento de abejas, y drones terrestres oxtapod diseñados con referencia a arañas del desierto. [107]

Otras tecnologías [ editar ]

El plegamiento de proteínas se ha utilizado para controlar la formación de material para nanoestructuras funcionales autoensambladas . [108] La piel de oso polar ha inspirado el diseño de colectores térmicos y ropa. [109] Se han estudiado las propiedades refractivas de la luz del ojo de la polilla para reducir la reflectividad de los paneles solares. [110]

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

El potente spray repelente del escarabajo Bombardier inspiró a una empresa sueca a desarrollar una tecnología de pulverización de "micro niebla", que se afirma tiene un impacto de bajo carbono (en comparación con los aerosoles). El escarabajo mezcla productos químicos y libera su aerosol a través de una boquilla orientable al final de su abdomen, picando y confundiendo a la víctima. [111]

La mayoría de los virus tienen una cápsula exterior de 20 a 300 nm de diámetro. Las cápsulas de virus son extraordinariamente robustas y capaces de soportar temperaturas de hasta 60 ° C; son estables en el rango de pH 2-10. [42] Las cápsulas virales se pueden utilizar para crear componentes de nano dispositivos como nanocables, nanotubos y puntos cuánticos. Las partículas de virus tubulares, como el virus del mosaico del tabaco (TMV), pueden usarse como plantillas para crear nanofibras y nanotubos, ya que tanto las capas internas como externas del virus son superficies cargadas que pueden inducir la nucleación del crecimiento de cristales. Esto se demostró mediante la producción de nanotubos de platino y oro utilizando TMV como plantilla. [112]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. [113] Un virus de plantas esféricas llamado virus del moteado clorótico del caupí (CCMV) tiene propiedades de expansión interesantes cuando se expone a ambientes de 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 mineralización biomórfica.para la absorción selectiva y la deposición 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 uniforme a través de una serie de lavados de pH. Esta es una alternativa a la técnica de la jaula de apoferritina que se utiliza actualmente para sintetizar nanopartículas de CdSe uniformes. [114] Dichos materiales también podrían usarse para la administración de fármacos dirigida, ya que las partículas liberan su contenido al exponerse a niveles de pH específicos.

Ver también [ editar ]

  • Fotosíntesis artificial
  • Enzima artificial
  • Enzima artificial § Nanozimas
  • Bioinspiración y biomimética
  • Computación bioinspirada
  • Síntesis biomimética
  • Secuestro de carbón
  • Ingeniería inversa
  • Biología sintética

Referencias [ editar ]

  1. ↑ Vincent, Julian FV; et al. (22 de agosto de 2006). "Biomimética: su práctica y teoría" . Revista de la interfaz de la Royal Society . 3 (9): 471–482. doi : 10.1098 / rsif.2006.0127 . PMC  1664643 . PMID  16849244 .
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Lectura adicional [ editar ]

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  • Marshall, A. (2009). Diseño salvaje: The Ecomimicry Project , North Atlantic Books: Berkeley.
  • Passino, Kevin M. (2004). Biomimetismo para optimización, control y automatización. Saltador.
  • Pyper, W. (2006). Emulando la naturaleza: el auge de la ecología industrial . Ecos, (129), 22-26.
  • Smith, J. (2007). Es solo natural . The Ecologist, 37 (8), 52-55.
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  • Vogel, S. (2000). Patas de gato y catapultas: mundos mecánicos de la naturaleza y las personas . Norton.

Enlaces externos [ editar ]

  • Biomimética MIT
  • Sexo, velcro y biomimetismo con Janine Benyus
  • Janine Benyus: Biomimetismo en acción de TED 2009
  • Diseño de la naturaleza - National Geographic
  • Michael Pawlyn: Usando el genio de la naturaleza en la arquitectura de TED 2010
  • Robert Full muestra cómo los ingenieros humanos pueden aprender de los trucos de los animales de TED 2002
  • El sorteo rápido: biomimetismo de CBS News