El siguiente grupo de blogs desarrolla la historia de los materiales y las estructuras y revela cómo la naturaleza podría brindar información tan completa sobre cómo fabricar productos para las próximas décadas. Todas las industrias deben hacer la transición hacia la sostenibilidad para abordar problemas complejos como el cambio climático, la contaminación y la erosión del suelo, entre otros, si queremos preservar nuestro planeta.
2. La estructura de la naturaleza | Un camino hacia la sostenibilidad
¿Qué diferencia a la naturaleza de nuestro entorno construido en términos de materiales, edificios y estructuras? Uno de los mejores resúmenes que abordan esta pregunta es quizás el documento ISO 18457 llamado “Biomimética, estructuras y componentes de materiales biomiméticos” que destaca algunas de las características únicas de las estructuras de la naturaleza:
- La naturaleza utiliza menos elementos: los materiales biológicos dependen de la estructura y son casi invariablemente compuestos (ISO 18457). Principalmente, la vida se ha construido sobre carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, fósforo y metales en bajas concentraciones como en el caso magnesio, manganeso y hierro.
- La jerarquía es clave en las estructuras biológicas: “Debido a su estructura jerárquica desde el nivel molecular hasta el macroscópico, no es posible distinguir claramente entre los términos material y estructura en el campo de la biología”
- Los materiales de los organismos vivos se adaptan a las condiciones ambientales variables (adaptabilidad), lo que les permite sobrevivir.
- Las estructuras biológicas a menudo se reparan o se curan a sí mismas.
- Autoensamblaje, renovación y organización: La célula, forma mínima de vida, produce materiales biológicos que se ensamblan de sencillo a complejo. Como revela el estándar: “Un árbol puede tener hasta 15 niveles de jerarquía de estructura. La interfaz entre cada nivel de la jerarquía controla la transferencia de cargas entre los niveles, introduciendo un grado de control sobre las propiedades del material, lo cual es inalcanzable en los materiales estándar”
- La naturaleza construye estructuras de abajo hacia arriba: la fabricación ocurre en una variedad de escalas, comenzando en el nivel molecular, que integra varios niveles jerárquicos y se agrega a un sistema general complejo.
Otra diferencia relevante está relacionada con las temperaturas y presiones requeridas para construir estructuras. Generalmente, la naturaleza produce o descompone sus estructuras en un rango de temperaturas y presiones que son similares a las de su entorno, llamadas condiciones estándar. Por el contrario, los productos, procesos y sistemas diseñados por humanos a menudo necesitan presiones y temperaturas más altas o bajas, lo cual se refleja en un mayor uso de energía. Por último, una característica destacada de la naturaleza es que no produce residuos en comparación con los diseños humanos, gracias en cierta medida al hecho de que sus estructuras son inherentemente biodegradables, descomponiéndose de manera natural.
Los organismos vivos se han probado durante largos períodos de tiempo (miles, millones o miles de millones de años) gracias a las cambiantes presiones o condiciones evolutivas a lo largo del tiempo. Han generado soluciones que requieren cantidades óptimas o mínimas de material y energía para su formación. Este es un principio que debe usarse para permitir que el diseño sostenible sea emulado durante la fabricación. Los sistemas biológicos se adaptan a su entorno, lo que en términos de diseño humano implica la incorporación de características contextuales. Es decir, la adaptación funcional se ve afectada por el entorno externo (Katiyar et al, 2021). Las estrategias y mecanismos a través de los cuales los seres vivos interactúan con su entorno también pueden ser reveladores en el diseño de las relaciones entre la manufactura y el contexto en el que se encuentra. Así, por ejemplo, un ala aerodinámica de un avión inspirada en un pájaro que vuela a gran altura no es solo producto de la emulación de la forma del ala, ni del uso de los mismos materiales. También es relevante que la combinación de materiales, características macro y microestructurales genera una interacción entre el entorno y la estructura que emula la del organismo con aire, generando así un perfil fluido muy similar.
Veamos algunos ejemplos relevantes. Las cerámicas que se encuentran en la naturaleza, especialmente en organismos bajo el mar, utilizan menos energía y se forman a temperaturas y presiones suaves. Por el contrario, nuestra artesanía elaborada con este tipo de materiales requiere temperaturas superiores a los 1400º C para su formación y densificación así como presiones superiores en algunos procesos industriales. Piense ahora en el uso de elementos químicos en la naturaleza en comparación con el entorno construido. Los artrópodos, uno de los grupos de organismos más exitosos que se encuentran en la naturaleza (es decir, arañas e insectos), deben parte de su éxito a un esqueleto externo fuerte que se compone de quitina, que a su vez se compone de los elementos mencionados anteriormente (carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno). Este compuesto ha permitido a estos organismos colonizar una gran diversidad de ecosistemas, dotándolos de una estructura fuerte y robusta. Por el contrario, para construir estructuras fuertes y resistentes para nuestra infraestructura, ciudades y pueblos, hemos confiado en hierro, acero y diferentes combinaciones de aleaciones metálicas, con el efecto adverso adicional del uso de procesos intensivos en energía. El último ejemplo ilustra el concepto de adaptabilidad. Todos los organismos, desde simples hasta complejos, regulan su temperatura interna y, por lo tanto, se adaptan a su entorno a través de diferentes mecanismos que pueden usar un medio líquido, sólido o gaseoso o bien emplear estructuras modificadas para el intercambio de calor, como las aletas. Por el contrario, nuestros edificios deben depender de procesos intensivos y fluidos costosos para mantener la temperatura en niveles aceptables. Además, estos sistemas aún son rígidos y requieren algún tiempo (mucho retraso) para adaptarse a entornos cambiantes.
Entonces, ¿qué están haciendo las industrias en este momento para emular a la naturaleza en la forma en que construyen estructuras? Un importante método de abajo hacia arriba llamado fabricación aditiva se ha utilizado progresivamente en algunos sectores. A diferencia de los procesos de moldeo, fundición o substrato (corte), esta metodología se asemeja a la naturaleza al agregar material en diferentes capas, volviéndose más complejas a medida que avanza su construcción. La técnica de capa por capa construye objetos comenzando con algo pequeño y aumentando su escala. Éste ha sido el caso de un estudio que investiga las propiedades mecánicas y químicas de la púa del puercoespín (Tee et al, 2021) para crear estructuras bio-inspiradas mediante impresión 3D biomimética, gracias a su fuerza única y excelentes propiedades de absorción de energía a la vez de tener un bajo peso. La investigación demuestra que esta estructura podría emularse para construir estructuras resilientes. Por otro lado, otra tendencia creciente es el uso de un concepto llamado “mimetismo de aumento multifuncional”, donde los bloques de construcción que componen un edificio pueden inspirarse en estructuras de cristal para lograr una mayor resistencia y forma de un objeto natural. Una de las características más destacadas de este enfoque es que, a través de este proceso de manufactura lenta, los materiales pueden crecer, auto-ensamblarse y adaptarse al entorno circundante en lugar de estar “específicamente diseñados y restringidos como materiales de ingeniería” (Katiyar et al, 2021).
La transición hacia materiales sostenibles está en marcha y, sin duda, la naturaleza tiene mucho que enseñarnos sobre cómo realizar esta transformación. La biomímesis tiene el enorme potencial de guiar este viaje.
Referencias
- ISO (2016). ISO 18457: Biomimetics – Biomimetic materials, structures and components International Standard Organization, ISO. ISO 18457:2016 (E). Switzerland
- Katiyar, NK; Goel, G; Hawi, S and Goel, S (2021). Nature-inspired materials: Emerging trends and prospects . Asia Materials , 13:56 , pp.1-16. https://doi.org/10.1038/s41427-021-00322-y.
- Tee, Y; Maconachie, T; Pille, P; Leary, M; Do T and Tran, P (2021). From nature to additive manufacturing: Biomimicry of porcupine quill. Materials & Design Vol 210, 110041, pp. 1-13
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