Biomimetics

La biomimética o biomimética es la emulación de los modelos, sistemas y elementos de la naturaleza con el propósito de resolver problemas humanos complejos. 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.

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 han buscado en la naturaleza respuestas a los problemas a lo largo de su 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

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 gran 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'. Los hermanos Wright, que lograron volar el primer avión más pesado que el aire en 1903, supuestamente se inspiraron en las observaciones de las palomas en vuelo.

Durante la década de 1950, el biofísico y erudito estadounidense Otto Schmitt desarrolló el concepto de "biomimética". Durante su investigación doctoral, desarrolló el gatillo Schmitt mediante el estudio de los nervios del calamar, intentando diseñar un dispositivo que reprodujera el sistema biológico de propagación nerviosa. Continuó enfocándose en dispositivos que imitan los sistemas naturales y en 1957 había percibido una visión inversa a la biofísica estándar en ese momento, una visión que llamaría biomimética.

La biofísica no es tanto un asunto como un punto de vista. Es un acercamiento a los problemas de la ciencia biológica utilizando 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, Un tiempo de vida de las conexiones

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". Durante una reunión posterior en 1963, Schmitt declaró:

Consideremos lo que la biónica ha llegado a significar operacionalmente y lo que o alguna palabra como ella (prefiero la biomimética) debe significar para hacer un buen uso de las habilidades técnicas de los científicos especializados, o mejor dicho, de especializar en esta área de investigación.

—Otto Herbert Schmitt, Apreciation, A Lifetime of Connections: Otto Herbert Schmitt, 1913 - 1998

En 1969, Schmitt usó el término "biomimético" en el título de uno de sus artículos, y en 1974 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 los 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 su spin- fueras El término biónico luego se asoció con "el uso de partes artificiales del cuerpo operadas electrónicamente" y "que tienen los poderes humanos ordinarios aumentados por o como si fueran con la ayuda de tales dispositivos". Debido a que el término biónico asumió la implicación de una fuerza sobrenatural, la comunidad científica de los países de habla inglesa lo abandonó en gran medida.

El término biomimetismo apareció en 1982. La científica y autora Janine Benyus popularizó la biomimetismo en su libro de 1997 Biomimetismo: innovación inspirada en la naturaleza. La biomimética 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 Mentor" y enfatiza la sustentabilidad como un objetivo de la biomimética.

Johannes-Paul Fladerer y Ernst Kurzmann crearon uno de los últimos ejemplos de biomimética con la descripción de "managemANT". Este término (una combinación de las palabras "manejo" y "hormiga"), describe el uso de las estrategias de comportamiento de las hormigas en las estrategias económicas y de manejo.

Tecnologías bioinspiradas

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 varias etapas de desarrollo, desde tecnologías que podrían volverse comercialmente utilizables hasta prototipos. 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 el tubo que da un sistema de ingeniería de masa mínima.

Locomoción

El diseño de las alas de los aviones y las técnicas de vuelo se inspiran en las aves y los murciélagos. La aerodinámica del diseño aerodinámico del tren de alta velocidad japonés mejorado Shinkansen 500 Series se inspiró en el pico del ave martín pescador.

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

Arquitectura biomimética

Los seres vivos se han adaptado a un entorno en constante cambio durante la evolución mediante mutación, recombinación y selección. 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 perdurar en el planeta Tierra. Del mismo modo, la arquitectura biomimética busca soluciones para la sostenibilidad de la construcción presente en la naturaleza.

El siglo XXI ha sido testigo de un desperdicio de energía omnipresente debido a diseños de edificios ineficientes, además de la sobreutilización de energía durante la fase operativa de su ciclo de vida. 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. Como resultado, ha habido un rápido crecimiento en la creación 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, y va más allá de usar la naturaleza como inspiración para los componentes estéticos de la forma construida, sino que busca usar la naturaleza para resolver los problemas del edificio. 39;s funcionamiento y ahorro de energía.

Características

El término arquitectura biomimética hace referencia 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. La arquitectura biomimética utiliza la naturaleza como modelo, medida y mentor para brindar 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 al aprendizaje de los principios naturales y al uso de la biología como fuente de inspiración.

La arquitectura biomórfica, también conocida como biodecoración, 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 puede no tener 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.

Procedimientos

Dentro de la arquitectura biomimética, se pueden identificar dos procedimientos básicos, a saber, el enfoque de abajo hacia arriba (empuje de biología) y el enfoque de arriba hacia abajo (atracción de tecnología). 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 los 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 prometedor 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 top-down, 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 mayor desarrollo de un producto existente.

Ejemplos

Los investigadores estudiaron la capacidad de las termitas para mantener una temperatura y una humedad prácticamente constantes en sus montículos de termitas en África a pesar de que las temperaturas exteriores varían de 1,5 °C a 40 °C (35 °F a 104 °F). Los investigadores escanearon inicialmente un montículo de termitas y crearon imágenes tridimensionales de la estructura del montículo, lo que reveló una construcción que podría influir en el diseño de edificios humanos. El Eastgate Centre, un complejo de oficinas de mediana altura en Harare, Zimbabue, se mantiene fresco a través de una arquitectura de refrigeración pasiva que utiliza solo 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 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 mediante el diseño de una fachada con paneles dobles que pudo 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 en el consumo de energía del edificio se redujo en un 15 %.

Se extrajo una inspiración similar de las paredes porosas de los montículos de termitas 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. El diseño se combina con la ecologización 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 refrescante.

Los científicos de la Universidad de Shanghái pudieron replicar la microestructura compleja de la red de conductos hechos 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. La bio-HCM propuesta 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.

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

El análisis de la deformación elástica que ocurre cuando un polinizador se posa en la parte de percha con forma de vaina de la flor Strelitzia reginae (conocida como flor de ave del paraíso) ha inspirado a arquitectos y científicos de la Universidad de Freiburg y la Universidad de Stuttgart para crear sistemas de persianas sin bisagras que puedan reaccionar a su entorno. Estos productos bioinspirados se venden bajo el nombre de Flectofin.

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

Materiales estructurales

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 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. En un problema de diseño clásico, es más probable que la resistencia y la dureza se excluyan mutuamente, 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 escalas nanométricas a macroescalas son fuertes y resistentes. En general, 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 dáctilo de los camarones estomatópodos y el bambú son excelentes ejemplos de materiales tolerantes al daño. La excepcional resistencia a la fractura del hueso se debe a la deformación compleja y los mecanismos de endurecimiento que operan en diferentes escalas de tamaño, desde la estructura a nanoescala de las moléculas de proteína hasta la escala fisiológica macroscópica.

Nácar exhibe propiedades mecánicas similares, pero 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 estrechamente empaquetadas y una matriz orgánica delgada (~20 nm). Si bien ya se producen películas delgadas y muestras del tamaño de un micrómetro 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.

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.

Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley emplearon un método económico de 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 IT HAP-epoxi que igualan las propiedades mecánicas del hueso con un contenido mineral/orgánico equivalente. Varios estudios posteriores 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 autosuficiente que imitan los tejidos vivos mediante la impresión de decenas de miles de gotas heterólogas de picolitros en geometrías 3D de escala milimétrica definidas por software. También se están realizando esfuerzos para imitar el diseño del nácar en materiales compuestos artificiales mediante el modelado por deposición fundida y las estructuras helicoidales de los estomatópodos en la fabricación de compuestos de fibra de carbono y epoxi de alto rendimiento.

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 complejas arquitecturas a microescala de los materiales naturales. y proporcionar un amplio margen para futuras investigaciones.

La seda de araña es más resistente que el Kevlar que se usa en los chalecos antibalas. En principio, los ingenieros podrían usar 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. Los dientes autoafilables de muchos animales se han copiado para fabricar mejores herramientas de corte.

También se han realizado nuevas cerámicas que exhiben histéresis electret gigante.

Computadoras neuronales

Los sensores y las computadoras neuromórficas son dispositivos eléctricos que copian la estructura y función de las neuronas biológicas para poder computar. Un ejemplo de esto es la cámara de eventos en la que solo el 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.

Materiales de autorreparación

En algunos sistemas biológicos, la autorreparación ocurre a través de 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 autonómica. Para demostrar el uso de redes microvasculares para la curación autonómica, los investigadores desarrollaron una arquitectura de sustrato de recubrimiento microvascular que imita la piel humana. Se desarrollaron hidrogeles de color estructural autocurativos bioinspirados que mantienen la estabilidad de una estructura de ópalo inverso y sus colores estructurales resultantes. Se desarrolló una membrana de autorreparación inspirada en los rápidos procesos de autosellado en las 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 punta. A partir de materiales biológicos se han producido materiales autorreparadores, polímeros y materiales compuestos capaces de reparar grietas.

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

Superficies

Las superficies que recrean las propiedades de la piel de tiburón están diseñadas para permitir un movimiento más eficiente a través del agua. Se han realizado esfuerzos para producir telas que emulen la piel de tiburón.

La biomimética de la tensión superficial se está investigando para tecnologías como microaccionadores y recubrimientos hidrofóbicos o hidrofílicos.

Adherencia

Adherencia en húmedo

Algunos anfibios, como las ranas arborícolas y de torrente y las salamandras arbóreas, pueden adherirse y moverse en ambientes húmedos o incluso inundados sin caerse. Este tipo de organismos tienen almohadillas en los dedos de los pies que están permanentemente humedecidas por la mucosidad secretada por las glándulas que se abren en los canales entre las células epidérmicas. Se adhieren a las superficies de contacto por adhesión húmeda y son capaces de escalar rocas húmedas incluso cuando el agua fluye sobre la superficie. Las bandas de rodadura de los neumáticos también se han inspirado en las almohadillas de los dedos de los pies de las ranas arborícolas. Se ha observado que los modelos de superficie jerárquica impresos en 3D, inspirados en el diseño de almohadillas para los dedos de las ranas de árboles y torrentes, producen una mejor tracción en mojado que el diseño de neumáticos convencionales.

Los mejillones marinos pueden adherirse con facilidad y eficacia a las superficies bajo el agua en 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 de la pata de mejillón adhieren los filamentos a rocas, botes y prácticamente cualquier superficie en 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 la pata de mejillón para superar este desafío de ingeniería de adhesión húmeda para crear copolianfolitos y sistemas adhesivos de un componente con potencial de empleo en protocolos de nanofabricación. Otra investigación ha propuesto pegamento adhesivo de mejillones.

Adherencia en seco

Las almohadillas de sujeción de las patas de varios animales, incluidos muchos insectos (por ejemplo, escarabajos y moscas), arañas y lagartijas (por ejemplo, geckos), son capaces de 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, conocidos como setas. Tales ejemplos biológicos han servido de inspiración para producir robots, botas y cintas trepadoras. También se han desarrollado setas sintéticas para la producción de adhesivos secos.

Óptica

Los materiales biomiméticos están ganando cada vez más atención en el campo de la óptica y la fotónica. Todavía hay productos bioinspirados o biomiméticos poco conocidos que involucran las propiedades fotónicas de plantas o animales. Sin embargo, comprender cómo la naturaleza diseñó dichos materiales ópticos a partir de recursos biológicos es un campo de investigación actual.

Inspiración en frutas y plantas

Una fuente de inspiración biomimética son las plantas. Las plantas han demostrado ser generaciones de conceptos para las siguientes funciones; re(acción)-acoplamiento, auto (adaptabilidad), autorreparación y energía-autonomía. Como las plantas no tienen una unidad de toma de decisiones centralizada (es decir, un cerebro), la mayoría de las plantas tienen un sistema autónomo descentralizado en varios órganos y tejidos de la planta. Por lo tanto, reaccionan a múltiples estímulos como la luz, el calor y la humedad.

Un ejemplo, son las especies carnívoras del planeta 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 pandeo rápido rápido (dentro de 100-300 ms) del movimiento de cierre de la trampa se inicia cuando la presa activa los pelos de la planta dentro de un cierto tiempo (dos veces dentro de 20 s). Existen sistemas AVFT, en los que los movimientos de cierre de la trampa son accionados por magnetismo, electricidad, aire a presión y cambios de temperatura.

Otro ejemplo de imitar plantas, es la Pollia condensata, también conocida como la baya de mármol. El autoensamblaje quiral de la celulosa inspirado en la baya Pollia condensata se ha aprovechado para fabricar películas ópticamente activas. 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 que se obtienen de la 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. Estos frutos 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. Los colores estructurales provienen de la organización de cadenas de celulosa en el epicarpio de la fruta, una parte de la piel de la fruta. Cada célula del epicarpio está formada por 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 las réplicas hechas por el hombre obtenidas del autoensamblaje de nanocristales de celulosa en helicoides, que solo reflejan la luz polarizada circularmente hacia la izquierda.

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

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

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

Inspiración en animales

La coloración estructural produce los colores del arcoíris de las pompas de jabón, las alas de las mariposas y muchas escamas de escarabajos. La separación de fases se ha utilizado para fabricar membranas de dispersión ultrablancas a partir de polimetilmetacrilato, imitando al escarabajo Cyphochilus. Las luces LED se pueden diseñar para imitar los patrones de escamas en las luciérnagas. abdómenes, mejorando su eficacia.

Las alas de la mariposa Morpho están coloreadas estructuralmente para producir un azul vibrante que no varía con el ángulo. Este efecto puede ser imitado por una variedad de tecnologías. Lotus Cars afirma haber desarrollado una pintura que imita el color azul estructural de la mariposa Morpho. En 2007, Qualcomm comercializó una tecnología de visualización de modulador interferométrico, 'Mirasol', que utiliza interferencias ópticas similares a Morpho. En 2010, la modista Donna Sgro hizo un vestido de Teijin Fibers' Morphotex, un tejido sin teñir tejido a partir de fibras estructuralmente coloreadas, que imita la microestructura de las escamas de las alas de las mariposas Morpho.

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. Este imita la estructura del ojo de una polilla. Figuras notables como los hermanos Wright y Leonardo da Vinci intentaron replicar el vuelo observado en las aves. En un esfuerzo por reducir el ruido de los aviones, los investigadores han buscado el borde de ataque de las plumas de los búhos, que tienen una serie de pequeñas aletas o raquis adaptados para dispersar la presión aerodinámica y proporcionar un vuelo casi silencioso al ave.

Sistemas agrícolas

El pastoreo holístico planificado, que usa cercas y/o pastores, busca restaurar los pastizales mediante la planificación cuidadosa de 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 usa como plantilla es 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, quien a su vez se inspiró en el trabajo de André Voisin, este método de pastoreo tiene un tremendo potencial para construir suelo, aumentar la biodiversidad, revertir la desertificación y mitigar el calentamiento global, similar a lo que ocurrió durante los últimos 40 millones de años como la expansión de los ecosistemas de pastoreo de pastos construyó suelos de pastizales profundos, secuestrando carbono y enfriando el planeta.

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 resistentes 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

Algunos sistemas de aire acondicionado utilizan biomimética en sus ventiladores para aumentar el flujo de aire y reducir el consumo de energía.

Técnicos como Jas Johl han especulado que la funcionalidad de las células de vacuola podría usarse para diseñar sistemas de seguridad altamente adaptables. "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 básicos; su estructura varía según los requerimientos de la célula. Las vacuolas no solo aíslan las amenazas, contienen lo necesario, exportan desechos, mantienen la presión, sino que también ayudan a la célula a escalar y crecer. Johl argumenta que estas funciones son necesarias para cualquier diseño de sistema de seguridad. El Shinkansen Serie 500 utilizó biomimética para reducir el consumo de energía y los niveles de ruido al tiempo que aumentaba la comodidad de los pasajeros. Con referencia a los viajes espaciales, la NASA y otras empresas han buscado desarrollar drones espaciales tipo enjambre inspirados en los patrones de comportamiento de las abejas y drones terrestres oxtapod diseñados con referencia a las arañas del desierto.

Otras tecnologías

El plegamiento de proteínas se ha utilizado para controlar la formación de materiales para nanoestructuras funcionales autoensambladas. La piel de oso polar ha inspirado el diseño de colectores térmicos y ropa. Las propiedades de refracción de la luz del ojo de la polilla se han estudiado para reducir la reflectividad de los paneles solares.

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

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 2-10. Las cápsulas virales se pueden usar 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 usar 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 a través de la producción de nanotubos de platino y oro utilizando TMV como plantilla. 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. 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 unos 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 captación y deposición selectiva de minerales mediante el control del pH de la solución. Las posibles aplicaciones incluyen el uso de la jaula viral para producir nanopartículas semiconductoras de puntos cuánticos de forma y tamaño uniformes a través de una serie de lavados de pH. Esta es una alternativa a la técnica de jaula de apoferritina utilizada actualmente para sintetizar nanopartículas de CdSe uniformes. Dichos materiales también podrían usarse para la administración dirigida de fármacos, ya que las partículas liberan contenidos tras la exposición a niveles de pH específicos.