Kitabı oxu: «Los animales y vegetales que nos inspiran»

Título original francés: Quand les animaux

et les végétaux nous inspirent.

Autora: Emmanuelle Pouydebat

© Odile Jacob, París, 2019.

www.odilejacob.fr

© del texto: Emmanuelle Pouydebat, 2020.

© del prólogo: profesor Gilles Boeuf, 2020.

© de la traducción: Nuria Viver Barri, 2022.

© de esta edición: RBA Libros y Publicaciones, S.L.U., 2022.

Avda. Diagonal, 189 - 08018 Barcelona.

rbalibros.com

Primera edición: marzo de 2022.

REF.: ODBO019

ISBN: 978-84-1132-012-2

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A MI PEQUEÑO ASTRONAUTA, QUE VA A LLEVAR A SU MAMÁ A MARTE.

A TODOS LOS ESTUDIANTES, MIS RAYOS DE SOL, SIN LOS QUE LA INVESTIGACIÓN NO SERÍA NADA.

PRÓLOGO
por el
PROFESOR GILLES BOEUF

El biomimetismo o la bioinspiración forman ese conjunto tan fascinante de lo viviente (¿y por qué no, también de lo mineral, a veces?) que ha estado durante mucho tiempo casi completamente apartado de nosotros, mientras se realizaban esfuerzos importantes en Estados Unidos, Japón y también Alemania. Se organizaron algunas exposiciones sobre el tema en el Museo Nacional de Historia Natural (MNHN) de Francia en la época en la que todavía llevaba el nombre de «biónico». Las investigaciones militares también se interesaron por él, pero hubo que esperar a 2014 para que el Comisariado para el Desarrollo Sostenible del Ministerio de Ecología francés y el MNHN decidieran dedicarle una conferencia nacional que reuniera a científicos, ingenieros, empresas, apasionados y un público experto. Fue el punto de partida del Ceebios (Centro de Estudios y Excelencia en Biomimetismo), en Senlis, que experimentó un gran crecimiento y actualmente representa, en Francia, la piedra angular de la organización de la actividad, a lo que se añade la organización desde hace cuatro años de la famosa exposición BioMimExpo.

En Estados Unidos, la toma de consciencia fue más precoz. En 1997, se publicó el libro de Janine M. Benyus, Biomimesis: innovaciones inspiradas por la naturaleza, que estructuraba enfoques, ya iniciados hacía mucho tiempo, pero nunca realmente organizados; Leonardo da Vinci, en el siglo XVI, ya hablaba de ello. El biomimetismo o la bioinspiración constituyen un enfoque que consiste en estudiar la naturaleza en todas sus formas —animales, plantas, microorganismos, ecosistemas— y utilizarla para el desarrollo tecnológico; nos inspiramos en ella para concebir materiales, estrategias o procedimientos innovadores al servicio del ser humano, menos contaminantes, menos consumidores de energía, reciclables, más seguros, de mejor calidad y más baratos. ¡Soñar es gratis!

Janine Benyus pertenece a una escuela que aboga por una auténtica consciencia medioambiental a través del término de biomimicry, que se ha traducido como «biomimetismo» en español. Dice: «Contrariamente a la Revolución Industrial, la revolución biomimética abre una era que no se basa en lo que podemos tomar de la naturaleza, sino en lo que podemos aprender de ella. En efecto, hacer las cosas a la manera de la naturaleza ofrece la posibilidad de cambiar nuestra manera de cultivar, fabricar materiales, producir energía, curarnos, almacenar información y gestionar nuestras empresas…». ¡El debate está servido!

Aquí, en esta obra, Emmanuelle Pouydebat retoma la «filosofía» del biomimetismo y nos propone una visión original a partir de una gran cantidad de ejemplos muy bien elegidos. Es un hecho que esta forma de actuar requiere realmente un profundo cambio en el comportamiento de la humanidad; requiere transversalidad, como señala la autora, pero también un verdadero trabajo profundo de comunicación entre las diferentes disciplinas y la integración profunda tanto de los conocimientos como de un vivo espíritu crítico. Para ello, es necesaria la investigación fundamental, constantemente plasmada después en la ingeniería y en realizaciones prácticas por las empresas. No olvidemos las ciencias humanas y sociales, porque, a las matemáticas aplicadas y la modelización, a la física y la química, a la biología y la ecología, hay que añadir la sociología y la antropología, ¡con una pizca de filosofía por encima!

En su obra, Emmanuelle habla constantemente de la humildad y tiene toda la razón, pero también necesitaremos la sobriedad. No podemos continuar en este mundo de despilfarro espantoso. Los seres vivos tienen diversas ventajas sobre nuestra economía capitalista demasiado liberal, innovan todavía más que nosotros, de forma permanente desde hace cuatro mil millones de años y, sobre todo, innovan para todos, ¡no solamente para algunos! El ser vivo nunca produce una sustancia que no sabe degradar (¡incluso el terrible veneno de la mamba negra!), ¡siempre tiene un «comprador» para sus residuos! Lo hace todo con una enorme parsimonia de energía. Finalmente, nunca maximiza, optimiza de forma permanente.

En una época en la que ciertos artículos, muchos de ellos muy alarmantes, nos informan sobre lo que comúnmente, y de forma púdica, se llama la «erosión», incluso la «crisis» de la biodiversidad, estas referencias son necesarias; necesitamos datos sobre la biodiversidad en el espacio y el tiempo. En 2019, tuvo lugar la séptima conferencia internacional de la IPBES en París; se desprenden tres conclusiones importantes del estudio y el análisis crítico de más de quince mil artículos publicados desde 2005, fecha de la última evaluación de los ecosistemas, el Millennium Ecosystem Assessment: 1) la biodiversidad se hunde, medida a través de las especies cada vez más amenazadas, extinguidas por centenares, y el informe prevé la extinción de entre medio millón y un millón de especies en el horizonte de unas decenas de años; 2) los territorios de distribución de las especies se reducen año tras año; 3) las regiones bajo el control de los pueblos autóctonos, aunque también sufren degradaciones, salen adelante mejor que en otros lugares.

Así pues, en lugar de continuar saqueando nuestros ecosistemas, ¿a qué esperamos para una toma de consciencia visceral, porque esto debe entrar «en las tripas»? ¿A qué esperamos para una metamorfosis que nos conduzca finalmente a considerar a la naturaleza como parte de nosotros mismos y para aceptar nuestras limitaciones adaptándonos a nosotros mismos? ¿A qué esperamos para detener una economía estúpida y suicida que permite el provecho, a menudo a corto plazo, destruyendo o sobreexplotando la naturaleza? Para ello, la bioinspiración es una respuesta muy eficaz: ¡con respeto, encontrar soluciones a nuestros problemas en los seres vivos! ¡Ojalá esta obra nos pueda ayudar a valorar el alcance de la situación en la que vivimos actualmente, a hacernos comprender que, imperativamente, debemos cambiar, entrando en la cultura del impacto y la sobriedad y, finalmente, pasar de faber a sapiens!

GILLES BOEUF,

profesor de la Universidad de La Sorbona,

presidente del Consejo Científico de

la Agencia Francesa para la Biodiversidad,

expresidente del Museo Nacional de Historia Natural,

profesor invitado del Colegio de Francia

INTRODUCCIÓN

ABRIR EL LIBRO DE LA NATURALEZA

¡Estoy convencida de que este libro será capaz de maravillarte sobre las capacidades extraordinarias, a nuestros ojos humanos, del mundo viviente, es decir, los animales, los vegetales e incluso las bacterias! Para nuestro cerebro, algunas adaptaciones son indispensables y constituyen una fuente inagotable para el desarrollo de los transportes, tanto terrestres como aéreos, la robótica, la ingeniería aeroespacial, la industria, la ecología, los materiales, la arquitectura, la ingeniería, la química, la medicina, etc. Por no hablar de los nuevos descubrimientos futuros de los que ni siquiera tenemos ni idea, por desconocimiento de capacidades animales y vegetales todavía insospechadas. Lector, déjate convencer por sus aptitudes extraordinarias, que pueden inspirarnos a nosotros, los seres humanos, para todo. Déjate convencer por las posibles implicaciones para nuestra supervivencia, la suya y, sobre todo, para nuestra humildad. Tenemos que olvidar nuestra arrogancia. Estoy segura de que no volverás a mirar a los animales y los vegetales como antes.

Desde hace cerca de cuatro mil millones de años, los organismos vivos colonizan el planeta. Por mecanismos evolutivos y adaptativos complejos, los animales y los vegetales se han diversificado para sobrevivir en entornos muy variados con imperativos específicos. Consecuencia: una gran diversidad de formas y estrategias adaptativas. Por lo tanto, el mundo animal es una fuente de inspiración sin fin, que evoluciona, se adapta, a veces desaparece y siempre sobrevive. La naturaleza sabe optimizar. La naturaleza sabe. Posee muchas soluciones, pero todavía muchos más misterios. A nosotros nos corresponde descubrirlos antes de que sea demasiado tarde. Descubrirlos para salvarla a ella, con su fauna y su flora. Descubrirlos para salvarnos a nosotros, los seres humanos. Nuestra protección y la de la naturaleza, juntas. Unos misterios y un ingenio tan apasionantes y sorprendentes que nos empujan a la humildad y a cuestionarnos como lo habíamos hecho antes.[1]

¿Cómo imaginar que un pajarito pudiera rivalizar con un avión de caza? ¿Cómo imaginar sin la naturaleza unos materiales irrompibles? ¿Cómo imaginar pegamentos resistentes bajo el agua? ¿Cómo inspirarse en la naturaleza para vencer el cáncer o el paludismo? ¿Cómo imaginar unos miembros amputados que vuelven a crecer? ¿Cómo imaginar, sin la naturaleza, vivir más tiempo y con buena salud? El mundo viviente ha desarrollado estrategias y sistemas increíbles para desplazarse, concebir, preservar, optimizar, curar, envejecer e incluso retrasar los límites de la muerte. No se excluye ningún campo de aplicación, del automóvil a la química, pasando por la ecología, la electrónica, la aeronáutica, la robótica, la inteligencia artificial y la medicina. «Copiar el gran libro siempre abierto de la naturaleza», decía el arquitecto Antoni Gaudí, que buscó durante toda su vida la inspiración en la naturaleza y fue uno de los pioneros de las estructuras bioinspiradas. Pero ¿durante cuánto tiempo estará abierto todavía este libro? Hacer todo lo posible para que no se cierre…

La obra que tienes en las manos pretende mostrarte hasta qué punto debemos comprender la naturaleza para intentar inspirarnos en ella, tanto para vivir mejor como para protegerla. Como habrás comprendido, trata de biomimetismo —enfoque conceptual interdisciplinario que toma como modelo a la naturaleza para enfrentarse a los retos del desarrollo sostenible (social, medioambiental y económico)— y, concretamente, de bioinspiración, enfoque creativo basado en la observación de los sistemas biológicos o también de la transferencia de los conocimientos y principios de las estrategias de los seres vivos para el diseño innovador. En 1997, la investigadora americana Janine Benyus[2] escribió que se trata de un «proceso de innovación que recurre a la transferencia y la adaptación de los principios y las estrategias elaborados por los organismos vivos y los ecosistemas, para producir bienes y servicios de manera sostenible y hacer compatibles las sociedades humanas con la biosfera». Se trata de un enfoque transversal; sin duda, por eso me fascina tanto. Esta consciencia medioambiental y este respeto por la biodiversidad subyacentes a esta definición constituyen una auténtica revolución, bioinspirada, que abre una nueva era: dejemos de aprovecharnos de la naturaleza, comprendámosla, a ella y su ingenio, e inspirémonos en ella. Utilizar la naturaleza, respetándola a la vez, y dejar de expoliarla. Es urgente. Créeme, los inventos y las adaptaciones de los seres vivos constituyen una fuente inagotable para las innovaciones humanas. Por otra parte, sin que a veces lo esperemos. Cómo podía imaginar que el trabajo sobre las estrategias de adquisición de alimentos y depredación de los cangrejos de río iba a interesar a… ¡los robóticos, sobre todo para la creación de nuevas prótesis! Las ciencias fundamentales son una fuente indispensable al servicio de las ciencias aplicadas. Algunas aplicaciones son relativamente evidentes, y otras no. Para nuestros científicos, es más rentable que centremos nuestros trabajos en temas interdisciplinarios en colaboración con investigadores de todos los horizontes. Este enfoque fascinante es el mío desde hace cerca de veinte años, y solo vislumbro una ínfima parte de las posibilidades de descubrimientos que se nos ofrecen, a mí, a nosotros, colegas, estudiantes, y del potencial beneficio de toda la sociedad.

Los seres humanos empezaron por imitar a las aves y a los murciélagos, y acabaron por inventar los aviones. Actualmente, podemos llevar el concepto todavía más lejos, inspirándonos en la eficacia de los animales y los vegetales, cuyo rendimiento, por su diversidad y sus adaptaciones, se ha optimizado gracias a millones, incluso miles de millones de años de evolución; ¡por miles de millones de años de investigación y desarrollo, podríamos decir! «Ve a aprender tus lecciones en la naturaleza, allí está nuestro futuro», decía Leonardo da Vinci. Esta famosa cita se ha ignorado durante mucho tiempo, como atestigua un tal… Victor Hugo, que señalaba: «Es muy triste pensar que la naturaleza habla y el género humano no escucha». Por suerte, en la actualidad, las contribuciones científicas internacionales sobre la bioinspiración no dejan de crecer, en todos los ámbitos.[3] Ha llegado el momento de que los retos biológicos y las necesidades económicas y sostenibles converjan…

1

DESPLAZARSE MEJOR POR EL SUELO Y POR EL AIRE

El ser humano es el único animal actual que se desplaza en bipedestación de forma permanente. Por otra parte, esta particularidad le confiere el honor de ser la única especie actual que se clasifica en el género Homo. La bipedestación permanente: formidable, ¡una increíble especificidad que es el orgullo de nuestra especie! Pero ¿qué ventaja proporciona esta locomoción con respecto a las otras? ¿Dejar las manos libres para manipular? Sin duda, pero basta con sentarse. Algunas aves nadan, caminan, despegan, aterrizan e incluso amerizan. ¡Nosotros, sin un aprendizaje específico muy técnico, nadamos muy mal, trepamos torpemente a los árboles y ni siquiera sabemos volar! ¡La bipedestación es una capacidad! Además, correr nos resulta muy costoso en el aspecto energético y tenemos relativamente poca potencia y poca resistencia con respecto a las demás especies. Me basta con observar a cualquier cangrejo ermitaño trepar fácilmente, a veces a pesar de su pesada concha y sus cinco pares de patas coordinadas, por sustratos finos, además llenos de dificultades, para comprender hasta qué punto nuestro modo de locomoción humano puede resultar limitado. Por no hablar de los geckos y las arañas de todo tipo, que se desplazan sobre cristales verticales o incluso horizontales, patas arriba, evidentemente, y de algunas aves capaces de volar miles de kilómetros.

Para colmar estas lagunas locomotrices y saciar su necesidad de conquistar otros medios, los seres humanos del siglo XX inventaron y diseñaron medios de transporte de una ingeniosidad brillante. A veces, se inspiraron en los seres vivos para innovar, como hicieron los antiguos antes que ellos. Aunque actualmente disponemos de avances tecnológicos importantes que facilitan esta bioinspiración. Por lo tanto, la mejora de los medios de transporte no tiene límites, a juzgar por la eficacia del mundo animal, que ha resuelto un buen número de retos aéreos y terrestres, como el vuelo estacionario o hacia atrás, y que encierra soluciones aerodinámicas a cuál más ingeniosa frente a las modificaciones permanentes y rápidas del medio. El mundo animal ha tenido éxito donde un buen número de ingenieros todavía se devanan los sesos, ¡ya sea para volar, ya sea para desplazarse rápidamente por el suelo, ya sea para evitar obstáculos o para camuflarse! Vamos a descubrirlo.

VOLAR
DE LAS ALAS DE LAS RAPACES A LOS AVIONES DEL FUTURO

En su sueño de querer volar, los seres humanos se han inspirado siempre en las aves. La raíz de la palabra «avión» viene de la palabra latina avis, ave. Hay que decir que algunas aves desafían todos los récords aéreos. Récords de velocidad y de cambios de dirección, por ejemplo. El colibrí macho (Calypte sp.) es el vertebrado más rápido con respecto a su tamaño corporal, ¡dos veces más rápido que los aviones de combate! ¡Alcanza aceleraciones centrípetas casi nueve veces mayores que la aceleración gravitatoria! Esta aceleración es la más elevada que se conoce de entre todos los vertebrados sometidos a una maniobra aérea voluntaria, ¡excepto los pilotos de caza! A esta velocidad, evitar los obstáculos se convierte en una hazaña. Por otra parte, el colibrí realiza proezas envidiadas por buen número de ingenieros aeronáuticos: vuelo estacionario, vuelo hacia atrás o cabeza abajo, picados, cambios rápidos de velocidad de vuelo y de orientación del cuerpo, giros sobre sí mismo, ¡todo para poder alcanzar flores de difícil acceso! Increíble vuelo multidireccional del ave más pequeña del mundo… Después, récords de velocidad y de precisión, sobre todo con las rapaces, que realizan otras proezas. Por ejemplo, el halcón peregrino (Falco peregrinus) vuela a un máximo de doscientas veces su longitud por segundo. Es cierto que representa dos veces menos que el colibrí, pero, de todos modos, es una velocidad de casi 400 km/h, ¡todo eso para controlar a la perfección la ralentización final y capturar una presa! Las rapaces alían velocidad y precisión, y, por lo tanto, constituyen un modelo especialmente pertinente para la ingeniería aeronáutica; por otra parte, Leonardo da Vinci había estudiado su vuelo con el objetivo de crear un avión de alas oscilantes. También hay récords para evitar obstáculos, con el murciélago. Pero, sin duda gracias a la maqueta de murciélago de Leonardo da Vinci, Clément Ader, trescientos años más tarde, hizo despegar por primera vez un avión. Porque este pequeño mamífero dispone de una superficie de alas variable y de un sonar muy eficaz que le permiten realizar vuelos nocturnos, a la vez que evita los obstáculos y caza insectos; ¡un auténtico sueño para los pilotos, sobre todo los militares!

¿Récords de velocidad, de cambios de dirección, de precisión, de evitar obstáculos? Atención, ¡veamos una especie que bate récords en términos de turbulencias y reducción del ruido! En efecto, unos investigadores franceses se han interesado de cerca por la estructura y las capacidades de adaptación de las alas del águila. Lo tienen todo para mejorar el aerodinamismo, la furtividad y el ahorro de energía de los aviones del futuro. ¡Una ingeniería maravillosa! En realidad, responde a dos problemas principales en los que trabajan los investigadores: la capacidad de un ala para deformarse en tiempo real y el efecto de las pequeñas plumas periféricas, que rompen las turbulencias y reducen el ruido.[1] Se han descubierto soluciones bioinspiradas destacables observando águilas en el «Rocher des aigles» de Rocamadour y en la isla de Ramier. En efecto, gracias a este sistema muscular y nervioso, sofisticado y perfectamente adaptado al medio aéreo, las águilas explotan el impacto del viento sobre las alas, para deformarlas de manera óptima. Hacen vibrar los extremos de las alas y las plumas de diferentes tamaños para aumentar su fuerza de sustentación en el momento de capturar a la presa. Al controlar estas vibraciones, rompen la formación de las turbulencias y reducen los remolinos. De esta manera, la fuerza de fricción y las vibraciones sonoras se debilitan y permiten al águila echarse sobre su presa sin que esta tenga tiempo de verla o de oírla. Además, arquean las alas hacia abajo y aumentan de nuevo su fuerza de sustentación para elevarse rápidamente después de la captura. ¡Unas adaptaciones que dan nuevas pistas a los investigadores para crear las alas del avión del futuro! Esperan que, en el futuro, las alas sean flexibles y capaces de erguirse y vibrar a diferentes frecuencias para aumentar el rendimiento aerodinámico durante el vuelo. Al ser deformables y vibratorias, será posible reducir el consumo de carburante y el ruido, tanto en el despegue como en el aterrizaje. Cuando rendimiento y ecología se unen…

CUANDO LOS INSECTOS VOLADORES INSPIRAN MICRODRONES

Atención, después de los récords de las aves, tenemos las proezas de algunos insectos de vuelo con alas batientes y otros vuelos estacionarios. Cuando la deformación anatómica de la libélula (odonato) se pone al servicio de los sensores del futuro, la miniaturización se convierte en un reto importante… En efecto, los investigadores del mundo entero inventan sus propios microdrones, artefactos volantes en miniatura, de unos centímetros como máximo. Un microdrón representa la tercera generación de drones, puede utilizarse en el marco de la búsqueda y la asistencia a las víctimas, de la vigilancia por parte de las autoridades, de la detección de agentes químicos o biológicos, etc. Los retos se articulan alrededor del reconocimiento en espacios confinados, la combinación del vuelo de desplazamiento (como un avión) con el vuelo de observación (como un helicóptero), el paso del vuelo exterior al vuelo interior evitando los obstáculos, etc. Los microdrones de exterior todavía deben mejorar sus cualidades aerodinámicas y su rapidez, mientras que los microdrones de interior necesitan más estabilidad, control de la inmovilidad y una detección más eficaz de los obstáculos.

Para alcanzar estos objetivos de innovación, los estadounidenses se inspiran en los increíbles colibríes (troquílidos); los alemanes, en las gaviotas (láridos). ¿Y los franceses? Los franceses centran la atención en un insecto excepcional, ¡la libélula! En efecto, cohete, avión y helicóptero utilizan técnicas de vuelo variadas y eficaces. Sin embargo, el vuelo con alas batientes de las aves y las libélulas ha sido durante mucho tiempo una hazaña tecnológica inimitable. Crear una aeronave con alas batientes ha representado un reto y un sueño para buen número de inventores. El ornitóptero de Leonardo da Vinci, una máquina que se parece a las alas de ave activadas por la fuerza muscular humana, por desgracia nunca alzó el vuelo. Étienne Oehmichen murió arruinado y en el más completo anonimato, tras inspirarse en el vuelo de los insectos e intentar imitarlo, en vano.

Siglos de intentos. Pero no para nada. El reto es enorme, porque los otros tipos de microdrones no son satisfactorios. Los microdrones de tipo avión son rápidos, pero no pueden realizar vuelos estacionarios. Los de tipo helicóptero son lentos, ruidosos y muy costosos desde el punto de vista energético. En cambio, los microdrones de alas batientes tienen el potencial de ser económicos y miniaturizables hasta un centímetro, son más eficaces, silenciosos y capaces de vuelos estacionarios. Tenemos el dron colibrí estadounidense, que prefigura la era de los nanodrones, el SmartBird alemán ultraligero y con una maniobrabilidad excepcional o también el minúsculo DelFly neerlandés, libélula robot de 20 g que evita los obstáculos, goza de una visión en 3D y podría encontrar aplicaciones innumerables en el campo del espectáculo, el deporte, la búsqueda de víctimas o la agricultura. Sin embargo, todavía no somos capaces de producir en gran cantidad este tipo de dron y de reducir su tamaño, sobre todo a causa de los problemas debidos a la batería. ¡Sin duda, los retos que se nos presentan van a ocupar a los investigadores durante decenios![2]

Es el objetivo del proyecto Remanta, que, bajo los auspicios del Ministerio de Defensa francés, intenta realizar, desde hace cerca de quince años, un robot libélula de 15 cm y 20 g.[3] El objetivo original de este proyecto reside en la reproducción de la deformación vibratoria del tórax de la libélula, la misma deformación que le hace batir las alas a alta frecuencia con un mínimo de energía. Este trabajo muestra de manera fascinante que un insecto de este tamaño, al igual que el microdrón, se apoya en los remolinos aéreos para propulsarse o mantenerse en vuelo estacionario (Figura 1). Otro reto importante: inventar los sensores del futuro, los que permitirán a un microdrón detectar cualquier obstáculo, en especial identificando la velocidad de avance y equilibrándolo, como una mosca o una libélula hacen con los ojos para controlar la trayectoria y la altitud. Esperemos que este proyecto pueda llegar a buen puerto. La bioinspiración francesa, que ha sufrido durante largo tiempo una especie de compartimentación de las disciplinas, a veces tiene dificultades para encontrar financiamiento…

Figura 1. De las auténticas libélulas (© Pouydebat) al microdrón Remanta y el demostrador con las alas hacia arriba (© Onera).

Pero hay un proyecto que ha tenido éxito, es lo menos que se puede decir. Los insectos gozan de una percepción excepcional de su entorno que les permite evitar los obstáculos a pesar de su velocidad elevada de desplazamiento. No hacía falta más para inspirar a los investigadores. Imagina un dron capaz de volar adaptándose al relieve, un dron capaz de evitar los obstáculos sin tener en cuenta la velocidad o la altitud. Unos investigadores franceses han hecho más que imaginarlo, ¡lo han fabricado! Los expertos en biorrobótica han creado el primer robot que vuela eficazmente por encima de un terreno accidentado sin acelerómetro, gracias a un ojo bioinspirado.[4] Te presento a BeeRotor, inspirado, entre otras cosas, en los ojos de las abejas.

Este robot de unos cincuenta centímetros puede desplazarse por un túnel sin tropezar con obstáculos verticales, ni siquiera con las paredes desiguales y en movimiento. Por lo tanto, evita perfectamente los obstáculos, todo esto sin acelerómetro. No obstante, todas las aeronaves, desde el «simple» dron hasta un cohete, pasando por un avión, están provistas de acelerómetros que les proporcionan datos indispensables, en especial la dirección del centro de la tierra, para estabilizarse. Ahora bien, los insectos voladores se desplazan sin este instrumento, como BeeRotor. En efecto, para realizar esta proeza de navegación, regula su velocidad y utiliza sus sensores de flujo óptico inspirados en la visión de las abejas, que emplean el desplazamiento del paisaje para moverse y no la dirección de la gravedad, como hace un acelerómetro. Desplazarse de forma precisa, a pesar de los obstáculos, sin acelerómetro abre diversas perspectivas más allá de BeeRotor, en especial en la robótica miniaturizada. Los acelerómetros son pesados y nada adecuados para los robots pequeños, que resultan muy útiles para la inspección de espacios pequeños como las tuberías o también en el marco de misiones espaciales que necesitan transportar dispositivos ligeros, para los que los sensores de flujo óptico podrían ser muy apropiados.[5]

¡LAS TOXINAS DE PULGAS Y EL ROBOT SALTADOR!

Las pulgas (Siphonaptera)… He aquí unos pequeños insectos que miden entre 1 y 8 mm de largo y son muy conocidos por sus piezas bucales organizadas en un aparato picador chupador. Ahora bien, estos animales, de los que se cuentan casi dos mil quinientas especies, son largos y están especialmente adaptados al salto, sobre todo gracias a una estructura quitinosa flexible y resistente a la que se fijan potentes músculos. Además, entre las patas traseras y el tórax, se encuentra una masa de resilina, una proteína elástica que actúa como un potente resorte y es más eficaz, al parecer, que el polibutadieno, uno de los mejores cauchos sintéticos del mundo. De esta manera, se transmiten fuerzas muy importantes al suelo.[6] ¿Resultado? Estas adaptaciones permiten a algunas pulgas saltar hasta 34 cm de altura, es decir, cerca de trescientas cuarenta veces su propia estatura, con una aceleración de 140 g, ¡cuando un piloto de caza difícilmente soporta más de 6 g! Agárrate bien, ¡la pulga de la rata (Xenopsylla cheopis) incluso puede propulsarse hasta 450 km/h![7] ¡Si trasladamos estos datos a la escala humana, la pulga saltaría dos torres Eiffel, una encima de la otra! Evidentemente, la proeza no se detiene aquí porque, cuando se salta tan alto, vale la pena saber aterrizar… Fácil para las pulgas, que, por suerte, poseen pequeños airbags o «bolsas de aire» en las patas que se hinchan como balones. Una vez que tienen la pista de aterrizaje en la línea de mira, las pulgas ralentizan y utilizan sus pelos como sensores para informarse de cualquier desplazamiento del aire y, por lo tanto, de la posición de su blanco. De esta manera, calculan de forma precisa la trayectoria del salto.

Evidentemente, estas proezas no podían dejar al mundo entero insensible y han inspirado un invento magnífico: ¡un robot saltador teledirigido, el Sand Flea, o «pulga de la arena»! ¡Este pequeño robot de 5 kg como máximo y dotado de un accionador de pistones efectúa misiones de reconocimiento y realiza no menos de 25 saltos seguidos sin impulso! Todo ello sin necesidad de recarga y con una altura y una inclinación regulables a distancia. Una cámara empotrada, estabilizada gracias a un giroscopio, capta imágenes claras en pleno salto, imágenes que después se retransmiten una vez que el robot está en el tejado, al otro lado de una pared o de un edificio. Como bioinspiración suplementaria, la pulga de la arena es resistente al agua, la arena, la sal e incluso el aceite. También soporta una gran amplitud de temperatura (de −15 °C a + 45 °C). Te dejo que imagines las aplicaciones concretas de este invento, de este pequeño espía, tanto en el ámbito de la defensa militar como en las intervenciones de riesgo en zonas peligrosas debido a un terremoto, un tsunami, un medio contaminado después de una catástrofe nuclear o también una zona de riesgo en el marco de un atentado, por ejemplo. Este pequeño robot también podría emplearse para explorar otros planetas. Para terminar, las propiedades de la resilina todavía no han entregado todos sus secretos, puesto que podría muy bien tener aplicaciones para el uso médico, en especial para la rehabilitación de pacientes tetrapléjicos y otras discapacidades motoras. Una fuente de inspiración y de aplicaciones inagotable…

CAMINAR, CIRCULAR Y NAVEGAR
¡UN PITO REAL AL SERVICIO DE NUEVOS CASCOS ANTICHOQUE!

Para alimentarse y extraer gusanos de los troncos de los árboles o también para comunicarse, el pito real (Picus viridis) golpea los troncos de los árboles con el pico y, por lo tanto, con la cabeza, ¡más de doce mil veces al día! Su cabeza golpea a una velocidad de 6 a 7 m/s y, en el momento del impacto, el pico pasa en unos microsegundos de 25 km/h a 0 km/h, es decir, una desaceleración colosal (1000 g, o sea, mil veces la fuerza de la gravedad que se experimenta en la Tierra). ¿Cómo lo hacen estas aves para soportar tantos golpes? ¿Cómo es posible que su cerebro no se vea afectado?

Pues bien, estudiando la evolución de las fuerzas de presión intracraneal ejercidas después del impacto en el pico picapinos (Dendrocopos major), un ave parecida al pito real, se observa que estas fuerzas se ejercen esencialmente en la base del pico. Parece ser que el impacto se propaga a lo largo del pico, en la parte inferior, y que el golpe se absorbe en la base del pico. Por lo tanto, este fenómeno ya limita los impactos en la cabeza. Además, los huesos del cráneo del pito real, frontales y posteriores, son especialmente esponjosos, una propiedad que les permite absorber las vibraciones.[8] Además de un hueso hioides adaptado, el pico superior del pico picapinos es más corto que el pico inferior, una diferencia que limitaría las presiones mecánicas sufridas en el momento del impacto: el pico inferior impacta en primer lugar y conduce al pico superior a deformarse hacia arriba. De esta manera, la energía del impacto se absorbe mejor. Con ello, el pico aporta resistencia, distribución de las presiones, flexibilidad y también rigidez. ¡Pues sí! Estas particularidades podrían inspirar a los diseñadores para fabricar cascos resistentes a los golpes y eficaces para prevenir los traumatismos craneales de los ciclistas, motoristas, jugadores de fútbol americano, trabajadores de obras, etc. ¡Uno de ellos se ha lanzado y ha diseñado una estructura a base de cartón ondulado! Si se le añade una solución hidrófuga (por lo tanto, impermeable), parece que este casco bioinspirado es bastante eficaz en términos de absorción de los golpes. De todos modos, está claro que el diseño de cascos más eficaces para los motoristas u otros solo está en sus inicios, a juzgar por la complejidad que representa el diseño del nivel excepcional de resistencia de estas aves.

¡CÓMO EL MARTÍN PESCADOR HA MEJORADO EL TGV JAPONÉS!

¿Cómo circular deprisa sin ruido gracias al pico del martín pescador (Alcedo atthis) y a las plumas de búho (Asio otus)? El Shinkansen (literalmente «nueva línea interurbana») es el tren de alta velocidad en servicio en Japón, pionero de la gran velocidad ferroviaria en la década de 1960. Puede circular hasta a 320 km/h, y la prioridad de las compañías ferroviarias reside actualmente en la reducción del ruido y en el aumento de la velocidad, que podría alcanzar los 350 km/h en algunos trenes. El problema es que estos dos objetivos parecen incompatibles: cuanto más deprisa avanza el tren, más ruido hace. Además, el Shinkansen, que ya ha sobrepasado las normas acústicas hace mucho tiempo, atraviesa numerosas ciudades japonesas, así como muchos túneles muy estrechos, y su paso provoca una compresión del aire que da lugar a la ralentización de las ondas de choque y a enormes explosiones sonoras. La sucesión de túneles provoca, por una parte, molestias para los oídos de los pasajeros y, por otra parte, para los habitantes cercanos, ¡que perciben una fuerte detonación con cada salida!

Así pues, el reto es importante. ¡Eso si no se tiene en cuenta a la madre naturaleza y sus tesoros, y a un ingeniero ferroviario, además apasionado por las aves! Eiji Nakatsu se preguntó por qué este tren de alta velocidad hacía tanto ruido al pasar por los túneles, mientras que un martín pescador podía mantener una importante velocidad de picado para después hundirse a un metro de profundidad en el agua y capturar peces sin siquiera producir la menor salpicadura. Para este visionario, tanto el tren como el ave están sometidos a una resistencia repentina e importante relativamente similar, aunque con una gran diferencia que no escapa al ingeniero ornitólogo: el martín pescador atraviesa la superficie del agua sin daños colaterales gracias a un pico largo y estilizado que le permite pasar fácilmente del aire al agua, más resistente, a pesar de un importante cambio de presión.

De esta manera, el martín pescador ha permitido resolver una complicación importante: el cambio de presión experimentado por un Shinkansen. Por lo tanto, el diseño del TGV japonés se ha replanteado y modificado inspirándose en el pico del martín pescador: ¡el morro del tren imita la forma de la cabeza y el pico del ave! ¿Resultados? El Shinkansen es más aerodinámico, consume un 15 % menos de electricidad y se desplaza a una velocidad un 10 % más elevada que antes (Figura 2).

Figura 2. Pico del martín pescador y morro del Shinkansen (arriba: © Dreamnikon/Fotolia; abajo: © Nick Coutts, commons. wikimedia.org).

La guinda del pastel es que, cuando un TGV sale de un túnel, ya no se producen explosiones, y tanto las vibraciones como el ruido son mucho menores para los pasajeros.[9] Eso sin tener en cuenta que los ingenieros japoneses también se han inspirado en un búho para reducir el ruido ocasionado por las fricciones de los pantógrafos (dispositivos articulados que permiten al tren captar la corriente de los cables eléctricos, la catenaria). En efecto, los nuevos pantógrafos de los japoneses imitan la estructura dentada de las plumas del búho chico. Esta ave vuela en silencio gracias a la anatomía de sus plumas y a la estructura de sus alas dentadas, que rompen las turbulencias y, como consecuencia, disminuyen el ruido. Esta estructura dentada se ha aplicado a los pantógrafos de los trenes de gran velocidad para reducir el ruido de la corriente de aire. Por otra parte, los reactores de los aviones Boeing también utilizan esta estructura para reducir el ruido de los reactores. Todo el mundo sale ganando gracias a la interdisciplinariedad en el corazón de la naturaleza y la innovación…

CUANDO LOS ANIMALES HERIDOS INSPIRAN ROBOTS QUE SE ADAPTAN

Cuando están heridos, los animales saben adaptarse. Lo hemos podido constatar con los chimpancés (Pan troglodytes) de Uganda que sufren diferentes discapacidades más o menos importantes después de haber sido víctimas de la caza furtiva indirecta. En efecto, a veces, quedan atrapados en las trampas destinadas a la fauna de caza y pueden sufrir diversos traumatismos, como dedos amputados, incluso manos y pies enteros. Ahora bien, a pesar de la discapacidad, consiguen alimentarse tanto como antes, continúan desplazándose por el medio boscoso y eligiendo emplazamientos igual de fructíferos para alimentarse.[10] Sin ir tan lejos como África, la mayoría de las veces, un perro que ha sufrido una amputación es totalmente capaz de continuar corriendo y saltando. La herida más o menos grave conducirá al animal a probar diversos movimientos y desplazamientos, y después a seleccionar los que son posibles a pesar de la herida y la discapacidad.

Esta capacidad de algunos animales de adaptarse y desplazarse a pesar de la herida ha dado la idea a unos investigadores franceses de crear un robot resiliente capaz de volver a aprender automáticamente a caminar después de haber sufrido daños.[11] ¡Imagina un robot de seis patas que vuelve a aprender a caminar con una pata dañada y una pata menos! ¿Cómo es posible? Haciendo lo mismo que los animales heridos. El robot genera una especie de mapa con miles de maneras de realizar su tarea. De esta manera, si resulta dañado, genera un algoritmo de aprendizaje para encontrar un comportamiento de compensación. En otras palabras, utiliza este mapa y prueba diferentes acciones que le puedan funcionar. Si una acción no funciona, el algoritmo la elimina y genera un intento diferente. ¡A pesar de una pata cortada en dos, el robot solo necesita dos minutos para encontrar una manera eficaz de desplazarse! Como hecho destacable interesante, el algoritmo utilizado para conseguir esta hazaña se divide en dos etapas: la creación del mapa de las maneras de realizar la tarea y la adaptación a la nueva situación. Ahora bien, este algoritmo, que busca finalmente las soluciones más eficaces, está directamente inspirado en la teoría darwiniana de la «supervivencia del más apto». Biología y robótica se mezclan íntima y magníficamente, y es inevitable que se produzcan numerosos descubrimientos en el futuro.

Las aplicaciones de este trabajo son especialmente valiosas, puesto que este tipo de robot autónomo, robusto y eficaz podría utilizarse para buscar supervivientes después de las catástrofes naturales o en caso de conflictos mortales, por ejemplo. Los robots no autónomos no resultan útiles en estos casos concretos, puesto que ya no funcionan una vez dañados. En cambio, estos robots resilientes, robustos y reparables podrían muy bien volver a partir en busca de víctimas después de haber sufrido un golpe o una mutilación debido a la situación (derrumbamiento, bala perdida, etc.).

EL PEZ COFRE Y EL COCHE DEL FUTURO

¿Cómo ha podido el rendimiento hidrodinámico del extraño pez cofre inspirar a los diseñadores de automóviles? Pues porque el pez cofre amarillo (Ostracion cubicus) tiene forma de cubo.

Es difícil imaginar algo menos aerodinámico. Y sin embargo… ¡No, no es a causa del cofre! Sino más bien porque este pez dispone de un exoesqueleto rígido que realiza giros de ciento ochenta grados sin moverse del lugar, todo ello con mucha rapidez y deslizándose con mucha facilidad por su medio natural de arrecifes. Estas capacidades no han escapado a un famoso fabricante de automóviles, que se ha lanzado a la fabricación de un coche inspirado en este pez, el Bionic Car.[12] El Mercedes-Benz Bionic era un prototipo de automóvil creado por DaimlerChrysler AG, del grupo Mercedes. Tenía como objetivo, entre otros, reducir la masa del vehículo y el consumo de carburante, y producir a la vez una fuerte aceleración. Objetivo logrado: ¡a pesar de su bajo consumo, el prototipo permitía alcanzar los 100 km/h en ocho segundos! La resistencia y la ligereza del coche eran magníficos, y el Bionic Car consumía un 20 % menos de carburante que un coche del mismo gálibo (Figura 3).

Figura 3. El pez cofre amarillo y el Bionic Car (expuesto en Münster en 2012).[13] (arriba a la izquierda: © Delphine Bonnon/Fotolia; arriba a la derecha: © Ryan Somma, commons.wikimedia.org; abajo: © NatiSythen, commons. wikimedia.org).

Por desgracia, el Bionic Car nunca se comercializó, probablemente, entre otras cosas, por razones estéticas. No deja de ser cierto que todavía no sabemos lo que contribuye exactamente a hacer que estos peces sean tan buenos nadadores. Su eficacia sigue siendo un misterio bien guardado, que deja entrever bonitos descubrimientos, tanto biológicos como innovadores. Por ejemplo, los bancos de peces pueden desplazarse en gran número de individuos a la vez que evitan las colisiones. Esto puede inspirar objetivos de evitación de colisiones entre elementos que se desplazan de manera autónoma, como los coches del futuro, que podrían evitar obstáculos, etc. Parece ser que el grupo Nissan se interesa de cerca por estos mecanismos…

¿LOS ROBOTS DEBEN TENER UNA CABEZA?[14]

Cuál no fue mi sorpresa cuando un colega experto en robótica, Philippe Souères (Laboratorio de Análisis y Arquitectura de Sistemas, CNRS), por qué no citarlo, me hizo una pregunta tan sorprendente como fascinante: ¿crees que los robots deben tener una cabeza para navegar eficazmente? ¿Puede repetirme la pregunta? Bueno… ¿Por qué esta pregunta? Porque algunos expertos en robótica tienen como objetivo optimizar los desplazamientos de sus robots, sobre todo para multiplicar las aplicaciones concretas y sus usos. Para intentar responder a esta pregunta, había que recurrir al mundo animal y, sobre todo, comprender mejor por qué los expertos en robótica se hacen esta pregunta. Los problemas empiezan entonces, porque primero tenemos que comprendernos entre nosotros, con nuestros vocabularios respectivos, nuestros conceptos u objetivos diferentes, etc. Así pues, los colegas expertos en robótica constatan que pocos robots actuales disponen de una cabeza que realmente desempeñe un papel funcional en su navegación. ¿Por qué?

Porque la robótica es una ciencia todavía muy joven. Pocos trabajos intentan realmente integrar la percepción multisensorial y el control motor de la manera suficientemente robusta que necesitaría una cabeza. Los robots humanoides poseen, por ejemplo, una cabeza esencialmente para parecerse a los seres humanos. Por lo tanto, el robot suele desplazarse utilizando datos propioceptivos (posición de las diferentes partes del cuerpo) gracias a sensores situados a lo largo de la pierna y datos proporcionados por una unidad central dispuesta en el tronco. No existe ningún concepto teórico que permita precisar dónde colocar los sensores exteroceptivos en un robot con el objetivo de optimizar la ejecución de las tareas de navegación. Sin embargo, los robots actuales no parecen discapacitados por la falta de cabeza. Pero ¿qué ocurrirá el día que las tareas exijan una integración multisensorial y sensitivomotora más profunda?

¡Aquí es donde los biólogos intervienen! Con mi colega biólogo Vincent Bels (Instituto de Sistemática, Evolución y Biodiversidad, CNRS/MNHN), constatamos que la cabeza es una estructura clave en la mayoría de los animales llamados bilaterales (animales dotados de una simetría bilateral, contrariamente a los radiados, como las medusas, las anémonas de mar…). Estos animales, como los insectos, los moluscos o también los mamíferos, los reptiles y las aves, son capaces de efectuar movimientos dirigidos voluntarios. La cabeza tiene un papel de integración multisensorial importante y está implicada en la emergencia de capacidades cognitivas elevadas relacionadas con la representación del espacio, la producción voluntaria de acciones espaciales, la optimización de los trayectos, la organización del control motor (conjunto de las acciones para activar los músculos…), etc. La cabeza, que, en realidad, es la parte anterior de los bilaterales, acumula una serie de sistemas sensoriales (visual, olfativo, auditivo…), mientras que la parte posterior comporta dispositivos morfológicos que permiten movimientos del cuerpo en una dirección determinada. La cabeza comprende pues una serie de estructuras simétricas complejas (ojos, orejas, bigotes, antenas), las estructuras exteroceptivas, que son los órganos sensoriales que detectan los estímulos exteriores para interactuar con el entorno y para generar acciones espaciales voluntarias. Una de las principales características de los organismos que han desarrollado la capacidad de producir acciones espaciales voluntarias complejas a lo largo de su evolución reside en la integración de la mayoría de los sistemas sensoriales y del resto del cuerpo en una cabeza, móvil o no. Por lo tanto, es muy probable que la robótica se incline más por las cabezas para optimizar los desplazamientos de los robots y no simplemente para conseguir que se parezcan a los seres humanos.

DEL TIBURÓN A LOS TRAJES DE SUBMARINISMO HIDRODINÁMICOS

¿Cuál es el objetivo? ¡Reducir las fricciones! ¿En qué prodigios de la naturaleza nos inspiramos? En los veinte mil genios de los mares… Los océanos rebosan de soluciones si se saben buscar en el 71 % de la superficie del globo que representan, aunque ampliamente desconocida todavía. Conocíamos el rostro (nariz) de los delfines que inspiró la creación de un bulbo colocado en la proa de los petroleros en la década de 1930. Este enfoque había constituido un avance importante en la reducción del arrastre, la fuerza de fricción entre el barco y el agua. Este mismo enfoque de reducción de las fricciones y, por lo tanto, de aumento de la velocidad se ha aplicado para el diseño de nuevos trajes de submarinismo hidrodinámicos. El objetivo es claro: ganar en velocidad con la mínima pérdida de energía posible. Ahora bien, ¿hay algo más rápido e hidrodinámico que un tiburón? El tiburón mako o marrajo común (Isurus oxyrinchus) incluso bate récords de velocidad, con máximos que pueden alcanzar los 90 km/h. Esta proeza parece directamente relacionada con su epidermis, compuesta por millones de dentículos microscópicos. Estos últimos se parecen a pequeños «dientes» entrelazados y capaces de reducir las fricciones con el agua e incluso de producir una propulsión. Unos científicos provistos de una impresora 3D han escaneado un fragmento de piel de un tiburón mako y después lo han reproducido hasta obtener una materia extremadamente similar en términos de microestructura. La piel impresa y colocada sobre un robot acuático ha permitido mejorar la velocidad de nado en un 6,6 % y reducir el consumo de energía en un 5,9 %.[15]

¡No se necesitaba más para que un famoso fabricante, Speedo, por qué no nombrarlo, imaginara el traje de submarinismo del futuro! Sin embargo, el marketing ha prevalecido sobre la ciencia, porque los investigadores han demostrado que los trajes de submarinismo que intentan imitar la piel de estos tiburones no proporcionan una ventaja hidrodinámica a los deportistas… En efecto, la imitación de la microestructura del traje de baño no era lo bastante parecida a la de la verdadera piel del tiburón, contrariamente a la colocada en el robot. Hasta el momento, nadie ha podido diseñar un traje de submarinismo que imite fielmente la verdadera piel del tiburón. No, no todo se puede reproducir en la naturaleza. Ni mucho menos. Por razones de complejidad (a veces no sabemos hacerlo) y también de costes. Pero las aplicaciones de las capacidades de esta piel de tiburón sin duda están lejos de haber terminado.

LUCHAR Y PROTEGERSE
¡Y SI UN GUEPARDO INSPIRARA A LAS TROPAS DE TIERRA!

¡Infiltrémonos en un proyecto digno de Star Wars! En efecto, ¿qué mejor sueño para un jefe del ejército que poder remplazar a sus soldados por robots? Hacer realidad este sueño es el objetivo de grandes proyectos más o menos logrados, pero con un gran potencial, por supuesto. Sin embargo, atención, se necesitan soldados robot rápidos, adaptables a los diversos suelos, que sorteen los obstáculos e incluso que evolucionen sin ver… ¿En qué animales nos inspiramos? Empecemos por un robot cuadrúpedo llamado Cheetah, «guepardo» en inglés. ¿Qué interés tiene inspirarse en un guepardo (Acinonyx jubatus)? Su velocidad y su capacidad para cambiar de dirección con una gran maniobrabilidad. Este felino puede alcanzar los 112 km/h (50 km/h de media) y es el animal terrestre más rápido del mundo. Es un excelente depredador, capaz de producir aceleraciones y desaceleraciones laterales fenomenales gracias a su fuerza muscular, a su adherencia debida a las garras no retráctiles y a la maniobrabilidad de su cuerpo debida, sobre todo, a una columna vertebral muy flexible y una pequeña cabeza aerodinámica.[16] Unas ventajas que han inspirado la creación de Cheetah.

En 2012, la primera versión constituía el robot cuadrúpedo terrestre más rápido del mundo, podía alcanzar 45,5 km/h, sobre todo gracias a una columna vertebral artificial muy flexible.[17] Esta proeza había conducido a la prensa a compararlo con el campeón y atleta Usain Bolt, cuyo récord era de 44 km/h. Actualmente, la tercera versión de Cheetah del MIT (Massachusetts Institute of Technology) es simplemente excepcional. Cheetah 3 puede trotar, galopar, saltar, trepar y desplazarse lateralmente, todo ello entre obstáculos y sin ver, ¡sin cámara ni sensores, por favor![18] ¿Por qué sin ver? Sangbae Kim, profesor asociado del MIT y principal diseñador del robot, lo explica muy bien.

Un robot debe poder gestionar numerosos imprevistos sin basarse demasiado en la visión, sino en informaciones táctiles, para desplazarse más deprisa frente a obstáculos inesperados. Siempre con el objetivo de remplazar tropas de tierra, la idea de esta tercera versión es que pueda avanzar por terrenos difíciles prescindiendo de las informaciones visuales. La magia de los algoritmos permite, gracias a datos angulares y de aceleración, la detección de contacto (obstáculo, superficie desestabilizante, etc.) y el control de los movimientos (ajustar, continuar el movimiento, con qué fuerza, etc.) de cada pata. Todo funciona como si tuvieras que desplazarte a tientas por una zona totalmente oscura. Pero el robot lo hace todavía mejor, puesto que, si lo empujas para hacerlo caer, es capaz de mantener el equilibrio. Te dejo que imagines sus proezas cuando se le restablezca la visión para que pueda cartografiar su entorno. Aparte de los objetivos militares, Cheetah podría utilizarse un día en diversas misiones realizadas en entornos hostiles e incluso inaccesibles a los seres humanos. Sin embargo, habrá que bajar los costes, sobre todo reduciendo el tamaño,[19] pero también continuar con los proyectos paralelos, como los increíbles robots BigDog o PetMan (Figura 4).

Figura 4. ¡Un guepardo (© Hein Waschefort, commons.wikimedia.org) inspira el robot BigDog! (© Daderot, commons.wikimedia.org).

MOSQUITO Y U.S. AIR FORCE: ¡MISMO COMBATE!

¿Cómo se podía pensar que los mosquitos (Anopheles coluzzii), vectores del paludismo, podrían inspirar proyectos de aeronaves indetectables? Analizando sus técnicas de despegue. Sí, parece improbable, pero es cierto. Después de haberse alimentado de sangre, el mosquito saciado adapta su técnica de despegue para no ser identificado por su presa, ¡nosotros, en este caso! Sabe ser discreto, a la vez que mantiene la potencia necesaria para el despegue. Por otra parte, esta técnica le permite, por desgracia para nosotros, propagar el paludismo con una eficacia temible. Pero ¿cómo lo hace?

En el momento del despegue, el mosquito se ha alimentado. ¡Ahora es más pesado, transporta dos o tres veces su peso en sangre! En este momento, si utilizara las patas para propulsarse como las aves o las drosófilas, correría el riesgo de producir una fuerza detectable por contacto sensorial con la piel de su presa. Ahora bien, las modelizaciones 3D a velocidad rápida de despegues realizadas por los investigadores muestran que el mosquito utiliza el aleteo para despegar muy rápidamente y no ser detectado, gracias a una señal táctil de las patas muy débil.[20] Despegue rápido y casi indetectable. ¿Cuándo dispondremos de una aeronave que despegue sin que nos demos cuenta? En la actualidad, lo mejor que existe es, sin duda, el F-117 o el B2, aviones revolucionarios de la U.S. Air Force, o también el T-50 ruso, casi indetectables, gracias a diversas técnicas (estructura optimizada para reducir al mínimo su señal de radar y de infrarrojo, nanorrevestimientos…). No obstante, el despegue puede ser fuente de detección, tanto para un avión como para un helicóptero o un dron. Aeronaves y mosquitos libran la misma batalla y tienen los mismos objetivos: ¡reducir el ruido al despegar! Esperemos que los mosquitos no lo consigan…

2
FABRICAR Y CONSTRUIR MEJOR

Los mecanismos evolutivos y de selección natural han conducido a una diversificación de las estructuras y funciones vegetales y animales, para sobrevivir en medios diferentes. La evolución, que continúa, permite desarrollar un amplio conjunto de estrategias de producción de materiales adaptables a las modificaciones del entorno. Estos materiales son compatibles con recursos renovables, como la luz del sol, y minimizan los costes energéticos. En cambio, la producción humana de los materiales se caracteriza por tratamientos térmicos, mecánicos y químicos importantes. Por lo tanto, tenemos mucho que aprender de la naturaleza en el campo del diseño. En este caso, el reto es inspirarse en la naturaleza para intentar reducir los costes energéticos debidos a las materias primas escasas, incluso difíciles de extraer y también de purificar. El futuro está en la revisión de los procedimientos actuales, en la química suave y en la utilización de un número restringido de ladrillos elementales.[1]

Afortunadamente, los animales y, a veces, los vegetales nos dejan entrever innovaciones prometedoras para mejorar los materiales, concebir otros nuevos y, en ocasiones, imaginar algunos otros impensables sin la naturaleza. Pero, atención, nos corresponde estar a la altura para, por una parte, tener ideas de transferencia y, por otra, encontrar, sobre todo, soluciones biotecnológicas. Porque, como decía Pierre-Gilles de Gennes, «estamos muy lejos de la complejidad del ser vivo, necesitamos mucha humildad». ¡En suma, hay trabajo que hacer!

ARAÑAS, ESPONGIARIOS Y PIÑAS DE PINO PARA MATERIALES INIMAGINABLES
DE LAS ARAÑAS A LOS MATERIALES IRROMPIBLES

Si hay una construcción animal variada y de lo más magnífica y apasionante, esa es claramente la tela de araña. O más bien las telas de arañas. Porque existen tantas telas diferentes como especies de arañas que las tejen. Es fácil maravillarse ante estas estructuras increíblemente simétricas e impresionantes. El verano pasado, sin ir más lejos, me encontré cara a cara con una sublime tela de araña tigre (Argiope bruennichi). ¡La propia araña ya es fantástica, pero su tela…! Imagínatela: una tela geométrica característica, adornada con un zigzag de seda reforzada, tejida de una parte a otra del centro de la trampa. Seda reforzada, una maravilla espantosa para una presa.

Esto lo dice todo. Porque la seda de araña tiene la inmensa ventaja de ser flexible y ligera, a la vez que es resistente. Con respecto a su peso, las sedas son más sólidas que el acero y más resistentes que el kevlar. ¿Te imaginas el atractivo que esto puede representar para la ingeniería? Las sedas de las telas de araña más eficaces, como las de la viuda negra (Latrodectus mactans), son hasta cinco veces más resistentes que el acero, a la vez que son flexibles y ligeras…

Por eso, los científicos se han dedicado a este tema y han reflexionado sobre la manera en que podían reproducir los hilos de seda. Complejo, nuevo… Primero, fue necesario descifrar el código genético de las arañas, para ser capaces de sintetizar de manera biotecnológica proteínas de seda que fueran la copia exacta de las proteínas de la seda animal. Después, los investigadores implicados en el proyecto tuvieron la genial idea de crear glándulas sintéticas productoras de seda de araña, con el objetivo de producir hilos de seda artificiales.[2] ¿Y sabes qué? ¡Funciona! Tan bien que este descubrimiento presenta aplicaciones en el ámbito médico y militar. Pues sí, ¿por qué no utilizar esta seda para reforzar los chalecos antibalas o crear nuevos hilos para suturas quirúrgicas? Este ejemplo muestra perfectamente la relación entre la construcción animal y la biotecnología, que debe ser capaz de hacer realidad las ideas de los investigadores.

¿CÓMO INSPIRAN NANOMATERIALES LAS ESPONJAS?

Entre el gran número de especies de esponjas, es decir, alrededor de diez mil, algunas elaboran fibras de sílice, que pueden alcanzar un metro de largo, para fijarse a los fondos marinos. Estas fibras, llamadas espículas, están compuestas por un filamento proteico, alrededor del cual se forman las capas sucesivas de sílice.

Unos investigadores franceses se han inspirado en estas espículas para elaborar nanofibras de sílice. Para ello, han utilizado un péptido, el lanreótido, que se puede enrollar para formar nanotubos. Reproduciendo esta proteína, los investigadores han conseguido obtener nanofibras de sílice capaces de autoensamblarse[3] y producir nanotubos de unos 25 nm de diámetro, que pueden llegar a varios centímetros de largo. Estoy de acuerdo, si no se es físico o químico, leído así, no es demasiado comprensible. Concretamente, este nuevo tipo de material conduce, por ejemplo, a crear electrodos que permiten doblar la capacidad energética de una batería de litio. Algas, esponjas…, el medio acuático, no hay que olvidarlo, contiene una base de datos inagotable para el surgimiento de ideas innovadoras. ¡Sin contar con que, probablemente, el 80 % de las especies acuáticas están por descubrir!

UNA PIÑA DE PINO Y MATERIALES QUE SE MUEVEN SIN MOTOR

La piña de pino se abre y se cierra en función de la humedad del ambiente. Cuando está situada en un entorno seco y cálido, las escamas se curvan y la piña de pino se abre. Por otra parte, en verano, se pueden oír crujir. Si se sumerge en agua, la piña de pino se cierra en unos minutos para proteger las semillas que contiene. Esta acción es totalmente reversible.

Así pues, las piñas de pino responden a las fluctuaciones de humedad del entorno mediante la apertura o el cierre de sus escamas. Se trata de un ejemplo de material llamado higromorfo, es decir, que presenta una respuesta mecánica a la humedad. La estructura en bilámina de las escamas es el origen de estos movimientos. En efecto, el interior y el exterior de una escama de piña de pino están constituidos por la misma materia. En cambio, las estructuras son diferentes. Cuando las escamas de la piña de pino se secan por el calor, el agua absorbida se evapora y la materia se retrae. La parte exterior de la escama es más sensible a las variaciones de humedad, por lo que se vuelve más pequeña que la cara interior y da lugar a tensiones en el interior de la escama. Para aliviar estas tensiones, la escama se curva y la piña de pino se abre. Con las variaciones de humedad permanentes, las piñas de pino sufren una fatiga higromecánica que se traduce, sobre todo, por una reducción de la amplitud de la respuesta. Sin embargo, conservan una capacidad de accionamiento sorprendente.

Evidentemente, sus análisis morfológicos y microestructurales representan un reto importante para algunos investigadores que tienen como objetivo mejorar el rendimiento de los biocompuestos higromorfos y desarrollar biomateriales que reproduzcan estos movimientos naturales.[4]

Por el momento, el «efecto piña de pino» les ha permitido, en especial, el desarrollo de aberturas capaces de reaccionar al entorno, sobre todo en un proyecto de construcción emblemático, el pabellón HygroSkin (Figura 5).[5] Este pabellón, llamado meteorosensible, es sensible a la humedad;[6] la apertura y el cierre de los orificios del pabellón corresponden a los movimientos de absorción/desorción del agua para mantener el equilibrio de la concentración de humedad del edificio. ¡Gracias, piñas de pino!

Figura 5. Pabellón HygroSkin y mecanismos de apertura inspirados en las piñas de pino (© ICD Universidad de Stuttgart; Achim Menges Architect et Institute of Computational Design, Universidad de Stuttgart).

CUANDO LA TERMORREGULACIÓN ANIMAL INSPIRA LAS TÉCNICAS DE REGULACIÓN TÉRMICA DEL FUTURO

Las aves y los mamíferos han desarrollado todo tipo de adaptaciones térmicas pertinentes para la concepción de sistemas de control de la temperatura y para la gestión de la energía en los edificios. Numerosos componentes de esta termorregulación animal son pertinentes para la ingeniería del edificio, en especial en un mundo donde el clima cambia y donde es necesaria la reducción del consumo de energía. Ahora bien, las aves y los mamíferos son endotermos. Su temperatura corporal está controlada por la producción interna de calor y por el calor perdido durante la conversión de la energía en energía mecánica en los músculos.

Dicho esto, la mayoría de los organismos se apoyan en características morfológicas para optimizar estas estrategias de termorregulación. Los principios de la termorregulación y las características morfológicas que la acompañan son objeto de diversos estudios[7] que pretenden descubrir nuevas técnicas de aislamiento térmico. Por ejemplo, el análisis de la estructura de las plumas o del pelaje podrían muy bien dar lugar a nuevas técnicas de regulación térmica en el edificio,[8] de la misma manera que la biomecánica de las plantas ha dado lugar a nuevos diseños arquitectónicos adaptados a la luminosidad, como el increíble pabellón Yeosu.[9] ¿Cuándo dispondremos de un edificio multifactorial adaptado a la humedad, el aire (ventilación), la luz y el calor?