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¿Sabías que un ácaro es el animal más rápido de la Tierra?

Foto Gustavo70x70Por Gustavo A. Schwartz (CSIC)

Si nos preguntaran cuál es el animal más rápido de nuestro planeta, casi todos responderíamos que el guepardo (o chita), con una velocidad máxima de entre 95 y 115 kilómetros/hora. Ahora bien, ¿podemos decir que un animal es rápido (o lento) porque recorre una determinada cantidad de kilómetros por hora? ¿Tienen estas unidades (kilómetros y horas), inventadas por el homo sapiens, alguna importancia para el resto de los animales? ¿Cómo podemos comparar la velocidad de un elefante con la de un pulgón?

Quizás una opción más apropiada para medir la velocidad consista en determinar a cuántos ‘cuerpos’ (longitudes de su propio cuerpo) por segundo se mueve cada animal; de esta manera, ligaríamos la velocidad al tamaño del bicho. Esto no es algo muy complicado de calcular en el caso de elefantes, guepardos o personas; pero la cosa se complica cuando el ‘animalejo’ en cuestión mide menos de un milímetro.

acaro rapido

Imagen del ‘velocista’ Paratarsotomus macropalpis / Pomona College.

Recientemente un grupo de estudiantes del sur de California (Estados Unidos), dirigido por el profesor Jonathan Wright, ha logrado medir, mediante una cámara de alta velocidad, a cuántos cuerpos por segundo se desplaza un cierto tipo de ácaro, en concreto el paratarsotomus macropalpis, endémico de la zona del sur de California. El resultado es un valor asombrosamente alto: nada más y nada menos que a 322 cuerpos por segundo, lo que lo convierte en el animal más rápido (en relación a su tamaño) sobre la faz de la Tierra.

Para tener una idea de cuán rápido se mueve este ácaro, pensemos que para un ser humano esto equivaldría a cerca de 2.000 kilómetros/hora. Cabe también señalar que, en relación a su tamaño, el veloz guepardo se mueve a una velocidad de 16 cuerpos por segundo y nuestro admirado atleta Usain Bolt a tan sólo 6 cuerpos por segundo. Transportados al mundo del ácaro, ambos parecerían tortugas.

Este descubrimiento, aparentemente anecdótico, no sólo establece nuevos límites para la velocidad de los seres vivos, sino que además replantea cuestiones sobre la fisiología del movimiento de los animales y abre las puertas para nuevos diseños en robótica y biomimética.

*Gustavo Ariel Schwartz es científico del CSIC en el Centro de Física de Materiales, dirige el Programa Mestizajes y mantiene un blog sobre Arte, Literatura y Ciencia.

¿Qué tienen en común el pepino de mar y el armadillo?

 

Mario HoyosPor Mario Hoyos*

Si en alguna ocasión habéis buceado en el mar, probablemente hayáis visto unos seres rechonchos y alargados conocidos como pepinos de mar. Este pequeño animal marino, que en algunas regiones se considera una delicia gastronómica con propiedades medicinales, tiene una piel suave y flexible capaz de endurecerse en cuestión de segundos, convirtiendo su dermis en una armadura.

Ejemplar de pepino de mar

Pepino de mar de la costa mediterránea / Daniel S. Wikipedia

El pepino de mar cuando se siente amenazado sufre una reacción enzimática, haciendo que las proteínas de las fibras de su piel se unan formando una estructura rígida. Otra reacción enzimática rompe esos enlaces haciendo que la piel se vuelva blanda de nuevo. Investigadores de la Universidad Case Western Reserve en Ohio (EEUU) se inspiraron en este animal para desarrollar en 2008 nanocompuestos poliméricos con nanofibras de celulosa con esas mismas propiedades. Una de las aplicaciones donde se han conseguido mayores avances ha sido en el área de la salud, más concretamente en el campo de implantes cerebrales inteligentes útiles en pacientes con párkinson o lesiones medulares.

Armadillo

Armadillo de tres bandas del Museo de Historia Natural de Londres / J. Cummings. Wikipedia

Otra aplicación interesante se puede encontrar en la industria textil, ya que se pueden crear telas capaces de pasar de un estado ‘normal’ a armadura en cuestión de segundos. Los mercados están exigiendo soluciones para personas que necesitan protección contra posibles impactos y ahí es donde nace la chaqueta armadillo. Inspirada en este mamífero en riesgo de extinción reconocible por su caparazón y que fue la imagen del último mundial de fútbol, esta nueva tecnología está pensada para militares, motociclistas, deportistas profesionales o para la protección de aparatos electrónicos.

Esto que parece ciencia ficción no es otra cosa que lo que en ciencia se conoce como biomimética, disciplina orientada al desarrollo de materiales y soluciones inspirándose en la naturaleza.

Otro ejemplo lo aporta un equipo de la Escuela Politécnica Federal de Zurich (ETH, por sus siglas en alemán), que en 2013 desarrolló materiales inteligentes que se deforman de manera controlada en respuesta a estímulos externos. Para conseguirlo, se ayudaron de las piñas (conos de las coníferas), muy sensibles a la humedad y la temperatura. Las piñas repliegan sus escamas leñosas sobre ellas mismas en respuesta a la humedad y se abren de nuevo cuando se secan. Este comportamiento responde a la presencia en las escamas de dos capas firmemente conectadas. Entre las aplicaciones de los materiales desarrollados por el ETH se encuentran piezas cerámicas que se pueden ‘auto-conformar’ o implantes médicos biodegradables de precisión que se activan solo cuando están en la parte del cuerpo adecuada.

 

*Mario Hoyos es investigador Marie Curie en el grupo HEMPOL del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC.

No más peleas por el aire acondicionado gracias a las termitas

Por Mario HoyosMario Hoyos*

¿Estas harto o harta de discutir con tus compañeros de oficina por la temperatura del aire acondicionado? No desesperes: la solución la tienen las termitas. En el centro comercial Easter de Harare, en Zimbabue, hay un edificio muy conocido en arquitectura: el Eastgate Centre. Abarca media manzana y combina un complejo de oficinas con un centro comercial. Al igual que los termiteros de la termita africana Macrotermes michaelseni (un característico túmulo en forma de chimenea que puede medir varios metros de diámetro y altura), el Eastgate está ventilado, refrigerado y calentado por medios totalmente naturales.

Eastgate Centre. Mandy Patter.

Eastgate Centre /Mandy Patter

Las termitas edifican sus nidos teniendo en cuenta los principios básicos de la termorregulación, ya que necesitan una temperatura constante para sobrevivir. Construyen sus ‘hogares’ orientados en el eje norte-sur. Su forma de chimenea disipa el aire caliente, menos pesado, renovando el aire más frío en la base, gracias a una corriente iniciada en la red de conductos subterráneos que, excavados por legiones de termitas, actúan como fuente de refrigeración.

El equipo de investigación del profesor Scott Turner, de la State University de Nueva York, escaneó los termiteros y creó modelos tridimensionales a partir del diseño de los nidos. Los investigadores concluyeron que el diseño podía aplicarse a escala humana e influir en los sistemas de refrigeración pasiva. En el Eastgate, el aire exterior entra a través de múltiples ventilaciones y la misma masa del edificio lo calienta o lo enfría en función de qué esté más caliente: el hormigón de la estructura o el aire. La altitud de Harare convierte su clima en templado y, pese a estar emplazada cerca de los trópicos, su temperatura exterior varía desde los 10 a los 40ºC.

Algunos termiteros pueden llegar a medir varios metros de altura y diámetro. Jeff Attaway.

Algunos termiteros alcanzan varios metros de altura / Jeff Attaway

La ventilación del Eastgate cuesta una décima parte que la de un edificio equipado con aire acondicionado estándar y consume un 35% menos de energía que seis edificios convencionales. Durante los primeros cinco años de su construcción, se ahorraron alrededor de 3,5 millones de dólares (más de 2,5 millones de euros) en gasto energético gracias a su diseño.

Otro ejemplo de ventilación pasiva lo podemos encontrar en el edificio Portcullis House de Londres, construido en 2001 frente al palacio de Westminster.

Portcullis House

El Portcullis House, frente al Palacio de Westmister, en Londres, alberga las oficinas de los parlamentarios /UK Parliament

En esta ocasión fueron algunos de los investigadores del proyecto TERMES, dirigido desde la Universidad de Harvard, los que estudiaron digitalmente los termiteros para conocer en detalle cómo los túneles y conductos de aire gestionan la ventilación de los gases y la humedad y mantienen la temperatura.

El proyecto TERMES podría proporcionar a la sociedad valiosos patrones para la construcción de edificios energéticamente sostenibles, dado que el consumo de energía de los edificios representa en la actualidad alrededor del 40% de la energía usada por la humanidad.

 

*Mario Hoyos es investigador Marie Curie del grupo Hempol del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC.

 

 

 

Biomimética: bañadores que imitan la piel del tiburón y mucho más

Mario HoyosPor Mario Hoyos (CSIC)*

Muchas de las grandes innovaciones científicas se basan en la imitación de la naturaleza. La fascinante habilidad de determinados seres vivos para adherirse a las superficies, repeler el agua, endurecer la piel o generar energía a partir de la luz solar ha inspirado investigaciones punteras en el marco de lo que se conoce como biomimética. El término, que literalmente significa imitar la vida, fue introducido por el estadounidense Otto Schmitt en la década de 1950, cuando estudiaba el desarrollo de dispositivos electrónicos tomando como base el sistema nervioso del calamar.

Una de las áreas más beneficiadas por la biomimética ha sido la Ciencia de Materiales. El antecedente más conocido es el famoso velcro que en 1955 patentó el ingeniero suizo George de Mestral. El invento llegó después de haber estudiado la estructura de las flores de cardo y la gran adherencia que desarrollan en todo tipo de tejidos, debida a la multitud de ganchillos que actúan como resistentes garfios.

Los ganchillos del velcro (derecha) imitan a los del cardo (izquierda) / Zephyris - Olivepixel

Los ganchillos del velcro (derecha) imitan a los del cardo (izquierda) / Zephyris – Olivepixel

En la misma línea, las patas de algunas salamanquesas han inspirado la creación de estructuras superficiales con extraordinarias propiedades. Estos animales pueden adherirse a casi cualquier superficie gracias al entramado microscópico de las almohadillas de sus extremidades. Dicho entramado está compuesto por unos pelos muy finos (denominados setae), de tan sólo 0,1 mm de longitud, que terminan en pequeñísimas ramificaciones en forma de espátula. Pese a su diminuto tamaño, las setae de las patas de un Gecko Tokay macho de 70 gramos tienen una fuerza adhesiva que teóricamente podría sostener un peso de unos 133 kilos. Esto es debido a la denominada  fuerza de Van der Waals. En 2005, investigadores de la Universidad de Akron y del Instituto Politécnico Rensselaer (EEUU) crearon una estructura de setae sintética con nanotubos de carbono con la que se han obtenido mejores propiedades incluso que las de los gecko naturales.

La extraordinaria capacidad de adherencia del camaleón se debe a los finísimos pelos de sus extremidades  / Bjørn Christian Tørrissen

La extraordinaria capacidad de adherencia de las salamanquesas se debe a los finísimos pelos de sus extremidades / Bjørn Christian Tørrissen

La repelencia al agua es otra propiedad de las superficies que se ha desarrollado extraordinariamente gracias a la biomimética. La rugosidad a escala molecular de la flor de loto ayuda a mantener en la parte superior de sus hojas hasta la más minúscula gota de agua, que resbala por su superficie por pequeñas que sean su masa e inercia. Esta ventaja evolutiva permite la ‘autolimpieza’ de sus hojas, ya que las gotas, cuando resbalan repelidas, arrastran las minúsculas partículas y bacterias que supondrían una amenaza para su supervivencia. Gracias al diseño biomimético, varios laboratorios y compañías han emulado la repelencia al agua o superhidrofobia de la flor de loto para crear superficies, pinturas y recubrimientos que se limpian con agua sin necesidad de detergente. No es descabellado imaginar azoteas y edificios recubiertos con pintura blanca (con mayor capacidad para reflejar la luz solar y, por tanto, reducir el efecto invernadero) que a la vez incorpora el ‘efecto loto’ para limpiarse con la única ayuda del agua de lluvia.

El modelo por excelencia que aúna repelencia al agua y diseño es la piel del tiburón: perfecto ejemplo natural de estructura hidrodinámica adaptada al movimiento en el agua. La piel de los escualos está cubierta por pequeñas escamas dentadas, cuya estructura varía en función del lugar que ocupan. A partir de esta característica se han creado bañadores de competición que reducen la fricción al máximo y la energía necesaria para desplazarse.

Bañador

Tomando como modelo la piel del tiburón, se han diseñado bañadores de alta competición / Albert kok – Wikipedia

La adhesión y la repelencia al agua no son las únicas propiedades que se han estudiado. La ciencia se fija en la naturaleza para buscar respuestas a necesidades sanitarias, energéticas o para desarrollar materiales inteligentes y tejidos capaces de cambiar de estructura blanda a rígida en cuestión de segundos. Y no es ciencia ficción. Pero eso, os lo contaremos otro día…

 

* Mario Hoyos es investigador Marie Curie del grupo HEMPOL del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del CSIC.