Los ingenieros de todo tipo (p. Ej., Mecánico, eléctrico, hidráulico, civil, software) se centran en cómo hacer que las cosas funcionen. Necesitan reunir todo lo que se sabe sobre materiales y propiedades, y organizarlos para realizar una función. Deben cumplir con los requisitos de diseño: una empresa o gobierno dice: “Esto es lo que debemos hacer; ¿Cómo podemos hacerlo dentro de los límites de costo y tiempo disponibles? El conocimiento de los principios de ingeniería crece a medida que crecen las necesidades de una sociedad, a menudo volviéndose más sofisticado, superando los límites de los conocimientos. Los ingenieros están capacitados para ver el diseño y juzgar el buen diseño.
Los ingenieros humanos también deben conocer las leyes de propiedad intelectual, porque muchos ingenieros quieren patentar sus diseños y protegerlos del robo. Hay mucha angustia en Estados Unidos por este mismo tema. China y otros países están acusados de robar nuestra propiedad intelectual, lo que puede tener consecuencias no solo económicas sino también de seguridad nacional. Pero, ¿quién posee la patente de una hoja o un coral? Los ingenieros no lo saben, y no les importa. Quizás eso sea parte de lo que hace que la biomimética sea tan popular. Ven un buen diseño y pueden copiarlo sin violar ninguna ley.
Toma la ciencia de los materiales. Los ingenieros siempre están buscando mejores materiales para fabricar dispositivos protésicos, adhesivos, herramientas que sean flexibles pero fuertes y muchas otras cosas. Ven materiales exitosos en la naturaleza y pueden medir sus características de rendimiento, lo cual es genial: la ingeniería es grande en la medición. ¿Quién los demandará si intentan imitar el material? Nadie. Es una estrategia ganadora e impulsa la ciencia hacia adelante. Impulsa a los biólogos e ingenieros a comprender el organismo, y les brinda a los ingenieros principios de diseño medibles por los que luchar.
Echemos un vistazo a organismos específicos que producen materiales muy envidiables y aprendamos cómo el conocimiento sobre los organismos está conduciendo a diseños superiores para la productividad humana.
Electrónica de escamas de pescado
Estados Unidos no puede demandar a China por usar la tecnología de los peces. La revista New Scientist dice que los materiales en escamas de pescado tienen propiedades deseables:
Las escamas de pescado podrían proporcionar una alternativa ecológica al plástico para su uso en pantallas flexibles para dispositivos electrónicos.
La flexibilidad es importante para la electrónica portátil para permitir la creación de pantallas que se doblen, pleguen o tuerzan fácilmente, dice Hai-Dong Yu de la Universidad Tecnológica de Nanjing en China. El plástico ha sido el material de referencia para lograr este tipo de flexibilidad, pero debido a su impacto nocivo en el medio ambiente, las alternativas sostenibles y de bajo costo son muy buscadas. [Énfasis añadido.]
Piense en todas las partes de pescado que se desperdician en los mariscos. A los consumidores no les gusta comer la piel, pero ese material desperdiciado suma hasta dos millones de toneladas en todo el mundo cada año, material que es flexible, de bajo costo y ecológico. Eso le dio una idea a los ingenieros de la Universidad Tecnológica de Nanjing:
El equipo extrajo gelatina de escamas de pescado y la usó para crear una película extremadamente delgada. Luego se incorporaron pequeños nanocables de plata para que actuaran como electrodos, junto con un material emisor de luz hecho de sulfuro de zinc y cobre, para proporcionar luz a la pantalla electrónica.
Los investigadores ven el aspecto ecológico en más de un sentido. El material es ideal para pantallas electrónicas temporales de bajo costo que podrían comercializarse (primer punto para el ecologismo) y son biodegradables después de solo 24 días en el suelo (punto otra vez para el ecologismo). Las pantallas de plástico, por el contrario, podrían tardar siglos en degradarse.
La American Chemical Society (ACS) señala que este tipo de material flexible podría aplicarse en aplicaciones de un solo uso. «Las pantallas electrónicas temporales flexibles pueden algún día hacer posible lucir un tatuaje brillante o verificar una lectura, como la de un cronómetro, directamente en la piel». Los ingenieros de la Universidad de Nanjing merecen crédito, pero en última instancia, es el pez lo que debería despertar nuestra admiración. Vienen diseñados para producir este material ideal de maneras que aún no podemos entender completamente.
Tecnología de la hoja
Inspirados por las hojas, los ingenieros de la Universidad Northwestern han ideado una forma de reducir las heladas en cualquier superficie en un 60 por ciento o más sin energía eléctrica. La reducción de la formación de escarcha es importante para aviones, ventanas y maquinaria. ¿Cómo lo hacen las hojas?
«Esta idea surgió de mirar las hojas«, dijo el Parque Kyoo-Chul (Ken) de Northwestern, quien dirigió el estudio. “Hay más formación de escarcha en las regiones convexas de una hoja. En las regiones cóncavas (las venas), vemos mucho menos escarcha. Descubrimos que es la geometría, no el material, lo que controla esto«.
Mariposa Negra
Algunos materiales necesitan absorber tanta luz como sea posible. Sería genial hacer esto sin pintura. La Universidad de Duke anunció un descubrimiento por parte de sus ingenieros: «Para hacer materiales ultra negros que no abrumen las cosas, considere la mariposa».
Los biólogos de Duke estudiaron mariposas de todo el mundo que tienen negro en sus alas, y descubrieron que no era melanina (un pigmento de proteína) lo que hacía que ciertas especies fueran ultra negras, sino la geometría de las escamas de las alas. La negrura es una ilusión creada por la microestructura del material a escala. «La luz entra en sus escamas, pero muy poca rebota».
Las alas de mariposa pueden verse lisas a simple vista. De cerca es una historia diferente. Magnificadas miles de veces, las alas de las mariposas están cubiertas de escamas con una superficie similar a una malla de crestas y agujeros que canalizan la luz hacia el interior esponjoso de la escama. Allí, tejido en forma de pilar dispersan la luz hasta que es absorbida.
Esta geometría tridimensional es tan efectiva que puedes cubrirla con oro y aún se ve negra. «Casi no puedes hacerlos brillantes», comentó un miembro del equipo. ¿Cómo podría usarse esto?
En última instancia, los hallazgos podrían ayudar a los ingenieros a diseñar recubrimientos ultra negros más delgados que reducen la luz parásita sin abrumar las cosas, para aplicaciones que van desde el camuflaje militar, para aviones furtivos que no se pueden ver de noche o detectar por radar, hasta el revestimiento de telescopios espaciales dirigidos en estrellas débiles y distantes.
Algunos en el equipo quieren descubrir por qué esta habilidad «evolucionó» numerosas veces en las mariposas. Es poco probable que a los soldados u observadores de estrellas les importe eso.
Tecnología en los huesos y corales
Otra propiedad deseable para los materiales es la resistencia sin peso. Los arrecifes de hueso y coral muestran el camino a los investigadores de la Universidad Johns Hopkins.
Inspirados en cómo el hueso humano y los coloridos arrecifes de coral ajustan los depósitos minerales en respuesta a sus entornos circundantes, los investigadores de Johns Hopkins han creado un material autoadaptable que puede cambiar su rigidez en respuesta a la fuerza aplicada. Este avance algún día puede abrir las puertas para materiales que pueden reforzarse a sí mismos para prepararse para una mayor fuerza o detener más daños.
Los ingenieros han tenido dificultades para cumplir dichos principios de diseño utilizando materiales sintéticos. Los materiales naturales como el hueso, el coral y la madera tienen éxito porque tienen sistemas de señalización internos que pueden reabastecer las partes dañadas con más material. Esa es una tarea difícil de imitar. Hasta ahora, el equipo de Hopkins que trabaja en esto solo ha hecho una imitación barata, utilizando cargas eléctricas que se activan por presión como «señales» para atraer más iones al lugar.
Tecnología del Geco
Los consumidores han llegado a amar las aspiradoras de piso robóticas que limpian la casa por su cuenta. ¿No sería genial si también pudieran limpiar las paredes? El Instituto de Tecnología de Georgia nos invita a considerar aspiradoras que se arrastran por la pared utilizando material de pie de gecko.
Las propiedades adhesivas de las almohadillas en los dedos del geco, basadas en la atracción atómica de van der Waals, se han entendido durante años. El problema ha sido la producción en masa de ese tipo de adhesión sobre materiales sintéticos. Los investigadores de Georgia Tech ahora sienten que «las superficies que se agarran como pies de geco podrían ser fácilmente producidas en masa». Un video incrustado muestra dispositivos que diseñaron que pueden recoger cualquier cosa cuando se gira una perilla: fruta, pelotas de golf e incluso un huevo. Gire la perilla hacia atrás y la adhesión se detiene. Una variedad de aplicaciones vienen a la mente:
Los polímeros con superficies de «adhesión gecko» podrían usarse para hacer pinzas extremadamente versátiles para recoger objetos muy diferentes incluso en la misma línea de montaje. Podrían facilitar la colocación de cuadros al adherirse tanto a la imagen como a la pared al mismo tiempo. Los robots de aspiradora con adhesión gecko podrían algún día levantar edificios altos para limpiar fachadas.
“Con la excepción de cosas como el teflón, se adherirá a cualquier cosa. Esta es una clara ventaja en la fabricación porque no tenemos que preparar la pinza para superficies específicas que queremos levantar. Los adhesivos inspirados en Geco pueden levantar objetos planos como cajas, luego girar y levantar objetos curvos como huevos y vegetales «, dijo Michael Varenberg, investigador principal del estudio y profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff de Georgia Tech.
No más clavos en la pared; imagina poner una imagen donde quieras, luego eliminarla fácilmente y colocarla en otro lugar. Todo es concebible si los científicos de materiales pueden crear protuberancias microscópicas que hacen que los gecos puedan trepar vidrios, árboles y casi cualquier cosa.
Todo es gratis
Estos diseños son gratuitos para el ingeniero observador, porque la naturaleza lo tuvo primero. La biomimética no sería un gran problema si los diseños naturales fueran simples, pero la biomimética está prosperando porque los ingenieros saben cuándo han encontrado algo increíblemente bien diseñado. Los diseños de animales y plantas a menudo son tan buenos y tan detallados que los ingenieros luchan por imitarlos. Eso es bueno, porque empuja el sobre. La comprensión de los principios de diseño detrás de los materiales naturales requiere una observación cercana con microscopios electrónicos y manipulación experimental, luego se pensó mucho sobre cómo imitarlos con materiales sintéticos. El futuro parece brillante para la ingeniería biomimética: la ciencia del Diseño Inteligente aplicado.
Foto: Un gecko, por Elisabeth vía Unsplash.
Artículo originalmente publicado en inglés por Evolution News