Biónica

Kristina Patschull

Volar como un pájaro, nadar como un pez: para el desarrollo de nuevos productos, los científicos e ingenieros copian cada vez más los principios de construcción de la naturaleza. La biónica, la aplicación técnica de los principios naturales, es la ciencia del futuro

Primero despacio, luego cada vez más rápido gira un cilindro verticalmente alrededor de su propio eje en el Instituto Max Planck de Investigaciones sobre Metales. La rotación no parece molestarle al pequeño escarabajo verde, que da vueltas también sobre el cilindro. La fuerza centrífuga nada le hace, tampoco cuando el cilindro alcanza las 3000 revoluciones por minuto: el escarabajo sabe cómo permanecer adherido, pensó Stanislav Gorb. Para descubrir qué mecanismos utiliza el insecto para caminar por un techo o no ser lanzado por la fuerza centrífuga, el biólogo estudió más detenidamente las patas del escarabajo.

Debajo del microscopio electrónico descubrió millones de pequeñísimos filamentos, muy cerca uno de otro en un reducido espacio, lo que hace que entre sus moléculas y las del suelo surjan fuerzas de atracción, llamadas fuerzas Van der Waals. Pero Gorb no se dio por satisfecho, sino que también estudió las patas de las moscas, las arañas y las salamanquesas (o gecos). Y también allí halló los pelos. Su grosor varía con el peso del animal: cuanto más pesado es, más pequeña y fina es la estructura en las patas. En el caso de la salamanquesa, que pesa unos 60 gramos, 500000 pelos por milímetro cuadrado aseguran la adherencia.

¡Qué práctico sería dotar a productos autoadhesivos, tales como notas, cintas y ganchos para la pared, de las mismas propiedades que las patas de esos animales!, pensó Gorb. Esos productos podrían ser utilizados una y otra vez y sin pegamento. Junto con colegas del área de investigación de materiales y científicos de la Universidad de Manchester, Gorb desarrolló una cinta adhesiva provista de diminutos pelillos de material sintético. El efecto de las patas de salamanquesa también es aplicable a los robots. Gorb ya logró un primer éxito: «un pequeño robot, de unos 100 gramos de peso, que construimos, puede, provisto de ese material, subir por una pared vertical de vidrio».

Stanislav Gorb no es el primero ni el único que busca soluciones técnicas en la naturaleza. Ya en el siglo XVI, el genio universal Leonardo da Vinci se inspiró en aves e insectos para construir sus máquinas voladoras. Hoy, esa rama de la ciencia se llama biónica, un término formado con las palabras biología y técnica. Actualmente está en auge en Alemania. En la Feria de Hannover se dedicó a la biónica una muestra especial. Christian Hamm, del Instituto Alfred Wegener de Estudios Polares y Marinos, con sede en Bremerhaven, presentó allí novedosas llantas para ruedas de automóviles. Hamm estudió las delicadas estructuras de las algas unicelulares diatomea y quedó sorprendido con su capacidad de resistencia. Esos seres vivientes tienen unas pocas milésimas de milímetros de tamaño y se protegen de sus enemigos con caparazones silíceos. Las nuevas llantas son sumamente sólidas y su diseño natural es muy decorativo.

La biónica también es tema en el Pabellón Alemán de la Expo 2005, en Japón. En un circuito multimedia, los visitantes pueden apreciar los últimos logros en esa área: por ejemplo los planos de sustentación del nuevo Airbus 380, construidos de acuerdo con los modelos de aves y un traje de natación cuya superficie con estructura de piel de tiburón hace más rápidos a los nadadores.

Según Rudolf Bannasch, de la Universidad Técnica de Berlín, Alemania ocupa un lugar de punta a nivel internacional en las investigaciones biónicas. Bannasch coordina la red federal de biónica Biokon, apoyada por el ministerio federal de Educación e Investigación (BMBF). El objetivo de Biokon es fortalecer la cooperación entre la industria y las universidades. Bannasch y su colega Konstantin Kebkal fueron este año los vencedores en el concurso federal «Biónica: innovaciones de la naturaleza», del BMBF. Ambos estudiaron los sonidos producidos por los delfines como forma de transmisión de datos debajo del agua. Los simpáticos mamíferos son verdaderos artistas de la comunicación, que pueden «conversar» a kilómetros de distancia y siempre saben con qué congénere están en contacto.

Para los ingenieros, ello no pasa de ser todavía un sueño, ya que la transmisión de datos bajo agua es muy difícil: las señales electromagnéticas y ópticas son amortiguadas fuertemente. Bannasch y Kebkal tuvieron la idea de utilizar, como los delfines, ondas sonoras para transmitir informaciones. Al investigar los sonidos, realizaron además un interesante descubrimiento. «Cuando los delfines se comunican entre sí, siempre deforman su voz», dice Kebkal. «Cambiando la frecuencia, sus congéneres los pueden entender mejor». La razón: bajo agua, las señales se superponen e incluso pueden anularse mutuamente. Los científicos lograron imitar el truco de los delfines con un módem subacuático. Ya existe un primer prototipo, con el que se pueden transmitir 5 kilobits por segundo a más de 3,5 kilómetros de distancia. Ello corresponde a la doceava parte de la velocidad del sistema ISDN. Bannasch y Kebkal están convencidos de que el flujo de datos puede aumentarse hasta 15 kilobits por segundo.

Entre los seis vencedores en el concurso de biónica se contó asimismo Ingo Rechenberg, también de la Universidad Técnica de Berlín. Rechenberg investigó cómo el pez de arena, en realidad un pequeño lagarto, logra deslizarse por la arena sin que su cuerpo sea abrasado. Y descubrió que es la estructura de su piel la que le permite salir indemne de sus permanentes zambullidas en la arena. Diminutas traviesas cruzan su cuerpo en forma perpendicular al movimiento. Son tan pequeñas, que un solo grano de arena se desliza sobre 100 de ellas. «Las traviesas ceden, lo que protege al pez de arena de la abrasión», explica Rechenberg. Así, el peso del grano de arena se reparte en muchos puntos. «Las traviesas aseguran – al igual que en el caso de las ferrovías – una transmisión óptima de las fuerza a la capa inferior, más blanda.» Rechenberg y sus colegas trabajan ahora para aprovechar técnicamente esa peculiaridad. Una piel artificial de pez de arena podría servir por ejemplo para cubrir la parte interior de cilindros neumáticos, como los usados en excavadoras.

Marcus Rechberger y Jürgen Bertling, del Instituto de Técnicas Ambientales, de Seguridad y Energía, de Oberhausen, fueron distinguidos por estudiar qué hace tan afilados los dientes de las ratas. Madera, hormigón o metal: casi ningún material está a salvo de sus dientes. Rechberger descubrió que los dientes de las ratas se autoafilan, gracias a su particular estructura. A diferencia de los dientes humanos, el duro esmalte de los dientes de las ratas disminuyó tanto evolutivamente, que hoy sólo queda una fina capa en forma de herradura adelante. La sustancia dental que se halla detrás se desgasta al roer. Pero como el duro canto del esmalte permanece, una y otra vez se forma un agudo filo. Para las ratas, el desgaste de sus dientes no constituye problema alguno, ya que éstos vuelven a crecer. A partir de esos conocimientos, Rechberger desarrolló un cuchillo industrial que se autoafila: recubrió una hoja de metal combada hacia afuera con una capa plana de cerámica, dos veces más dura que el metal. El prototipo de cuchilla permanentemente afilada está siendo probado ya en el laboratorio. Los científicos ya han logrado convencer también a una empresa industrial de las bondades del producto.

Pero los principios de la naturaleza no son trasladables siempre sin problemas a la técnica. Una lámina autoadhesiva para aviones, cuya estructura imita a la de la piel de tiburón, no pasó de una fase de prueba. Como en el tiburón, finas ranuras en su superficie hacían disminuir la resistencia al aire. En los años 90, Airbus probó las láminas en aviones de pasajeros A340. El resultado: el consumo de queroseno pudo ser disminuido en aproximadamente un 3 por ciento. Pero el laminado nunca fue aplicado a todos los aviones. «El ahorro fue contrarrestado por dos factores», dice Rolf Brandt, portavoz de Airbus Alemania. «En primer lugar, los costos de mantenimiento de la lámina eran muy altos y segundo, era demasiado pesada». Por ello, Airbus renunció a cubrir todos los aviones con el laminado.

Un gran éxito de ventas, por el contrario, han sido productos con el efecto del loto. A Wilhelm Barthlott, de la Universidad de Bonn, le había llamado la atención la planta ya en los años 70. Incluso en suelos fangosos, sus hojas siempre están inmaculadas. Bajo el microscopio electrónico, Barthlott descubrió la razón: diminutos granos de cera sobre la superficie del loto hacen que partículas de suciedad no puedan adherirse. Las gotas de agua se las llevan, la hoja se limpia a sí misma. Barthlott reconoció qué ventajas podía tener ese tipo de superficies para el ser humano y patentó a mediados de los años 90 la aplicación técnica del efecto loto. El primer producto que salió al mercado fue la pintura para paredes «Lotusan», de la que el agua de lluvia se lleva la suciedad.

Ahora, los científicos de la Universidad de Bonn sueñan con poder nadar o sumergirse en el agua sin mojarse. Para ello investigan la araña ancylometes bogotensis. Ésta caza peces lanzándose al agua y aturdiéndolos con una mordida venenosa. Lo interesante es que vuelve a tierra completamente seca. Ello se debe a una capa de aire que rodea su cuerpo. Para descubrir el secreto, Zdenek Cerman, director del proyecto, estudió detenidamente a la araña. Constató que el cuerpo de la araña está cubierto de diminutas cerdas que retienen el aire. Ahora, Cerman se propone producir artificialmente estructuras similares, para proteger a aparatos submarinos de la corrosión… o a los nadadores del enfriamiento. Junto con el Instituto de Técnicas Textiles y Procedimientos Denkendorf, los investigadores han desarrollado ya una tela que repele el agua, con la que se podrían fabricar por ejemplo trajes de natación.

«En la biónica se descubren permanentemente nuevas áreas de aplicación», dice Rudolf Bannasch. No siempre se ve a primera vista que en el desarrollo de algunos productos se ha tomado a la naturaleza como modelo. ¿Quién supondría en automóviles o aviones estructuras de árboles o huesos? Y efectivamente, Claus Matthek, del Centro de Investigaciones Karlsruhe, descubrió que los árboles acumulan material allí donde más lo necesitan: en lugares donde están expuestos a grandes exigencias. Así ahorran peso. «Hoy todos los aviones se construyen de acuerdo con esas reglas de construcción ligera».

«La biónica es la investigación del futuro», dice Bannasch. Cada vez más universidades ofrecen la materia como disciplina complementaria o de profundización. La Universidad de Bremen creó en el semestre de invierno 2003/2004 la primera carrera internacional de biónica (ISB) en el mundo, en la facultad de Construcciones Navales, Técnica Marina y Ciencias Naturales Aplicadas.

http://www.magazine-deutschland.de/issue/Bionik_3-05_SPA_S.php

13-05-2005