UNAUS

Por Ludovica Rossi

El biomimetismo (de bio, vida; y mimesis, imitar) es una rama científica interdisciplinar que investiga los procesos propios del mundo de la naturaleza y sus aplicaciones a la tecnología humana. Tiene validez en el contexto actual y futuro por su connotación medio ambiental, con el objetivo de generar una tecnología sostenible integrada en el medio ambiente.

[Haga click en la imagen para ver una versión más grande]

El punto de partida de la Biomimesis es que los organismos, por medio del proceso evolutivo, han modificado tanto su anatomía como su fisiología, adaptándose a los cambios del entorno sin comprometer la continuidad del mismo. Entonces los procesos de selección natural, que modifican una o más características intrínsecas de un organismo, ofrecen una respuesta a los cambios medioambientales.

Las variaciones que afectan un organismo son mutaciones aleatorias seguidas por una selección natural que actúa a favor o en contra de la supervivencia del individuo. Las mutaciones que han tenido un éxito en la fase reproductiva definen la adaptación del organismo a las condiciones medio ambientales y son las que observamos hoy en día. Por lo cual se determina una compleja red de interacciones que han conformado el organismo, su diseño es un proceso de generación de variabilidad, que por selección ha resultado beneficioso. En este marco se interpreta el proceso evolutivo como un proceso de diseño de los seres vivos en un largo periodo de tiempo.

La naturaleza lleva más de 400 millones de años desarrollando sistemas optimizados con un menor consumo de energía, seleccionando los mecanismos que funcionan y/o duran en el contexto ambiental actual. Sus mecanismos siguen los principios de ahorro energético, reciclaje, optimización de las formas, economía de materiales, adaptación al medio o la sostenibilidad.

El término Biomimésis surge a partir de los años 90 en ámbitos disciplinares como la robótica, donde se observaba, por ejemplo, la locomoción de los insectos para desarrollar robots hexápodos que funcionaran correctamente.

Sus orígenes suelen atribuirse al ingeniero Richard Buckminster Fuller (Milton 1985 - Los Ángeles 1983), que se hacia la pregunta: “Tiene la humanidad una posibilidad de sobrevivir final y exitosamente en el planeta Tierra y, si es así, como?”. Entres sus trabajos cabe recordar el estudio de estructuras en tensegrity, un sistema que se encuentra también en las células del cuerpo humano. Según los estudios de biomecánica del Hospital Infantil de Boston y la Universidad de Harvard, este sistema permite a las células extenderse en contextos de tejido vacíos, como en casos de lesiones, hasta que vuelven a estar comprimidas entres si y dejan de crecer. Esto es unos de los mecanismos que el cuerpo humano (y no solo) ha desarrollado para la regeneración de sus tejidos.

A lo largo de más de un siglo de historia (poca cosa para la evolución pero una buena cantidad de tiempo para nosotros) el dialogo entre la naturaleza y la técnica se ha estructurado cada vez en interconexiones más complejas. Indudablemente esto ha sido posible gracias a los avances tecnológicos como el uso de la microfotografía y del microscopio electrónico de barrido, la progresiva mejora de la potencia de los ordenadores y más recientemente el uso las maquinas a control numérico. Y en la actualidad, también la investigación en el campo de la biomimesis está relacionada a los avances de los modelos matemáticos, de cuantificación y de modelación.

Biomimesis aplicada a los materiales

El desarrollo de la nanotecnología ha permitido aplicar las dinámicas naturales a una escala inferior a un micrómetro llevando al desarrollo de nuevos materiales inteligentes. Entre ellos un ejemplo de uso reciente es la aplicación de pintura bioluminiscencia en el edificio Media-TIC en el 22@ de Barcelona del arquitecto Enric Geli Ruiz. La bioluminiscencia es un fenómeno muy extendido a diferentes niveles biológicos y concierne la capacidad de unos organismos de producir luz. Otro ejemplo presente en el mercado de la construcción desde más tiempo son las superficies activas auto-limpiantes que reproducen el mecanismo de la hoja del Loto (Lotus Effects®). Las características químicas y morfológica de la planta hacen que la tensión superficial que se genera sobre la superficie de las hojas no permite al agua adherir con la consiguiente ventaja fisiológica de mantenerlas limpias. De la misma forma el agua de lluvia no se adhiere a la superficie arquitectónica y lleva consigo polvo y otras suciedades.

Otro Ejemplo de interés referente a la aplicación de nuevos materiales, aun en fase experimental, es el desarrollo de superficies antibacteriales que reproducen la organización de los dentículos de las escamas del tiburón de las Galápagos. Este es un escualo que nada muy lentamente lo cual debería facilitar la adhesión de las bacterias y sin embargo esto no ocurre. Observando la estructura y el patrón de las escamas, los científicos de la empresa Sharklet Technologies descubrieron que este diseño natural mantenía las superficies libres de bacterias. De hecho la investigación fue desarrollada a partir de 2002 por la doctora Anthony Brennan, que estaba de visita en la base naval de Oahu Pearl Harbor (EE.UU.), en el marco de una investigación patrocinada por la Marina. El objetivo era encontrar nuevas estrategias para reducir las incrustaciones que recubren los cascos de submarinos y barcos.
Un examen al microscopio electrónico de barrido mostró una organización de la piel en forma de diamante con diferentes costillitas pequeñas. La medición del patrón con el ancho y la altura de las costillas se hicieron corresponder al modelo matemático para determinar la rugosidad de la superficie. Las primeras pruebas realizadas por la empresa Sharklet dieron una reducción del 85% de la adhesión de las algas verdes respecto a una superficie lisa.

La trasformación del material a nano-escala modifica la línea entre lo que es el material y lo que hace actuando no solo sobre sus características intrínsecas, sino también en los procesos de manipulación y trasformación del mismo. Es el caso de los engranajes en lana realizados por Vereinigte Filzfabriken AG (Alemania, 2004), los perfiles de fibra poltrusionados inspirados a ciertos tipos de tallos vegetales de las plantas del Institute of Textile Technology and Process Engineering (ITV-Denkendorf) o el amplio desarrollo de las espumas a base de diferentes materiales.

El sistema Carbon Isogrid, desarrollado por ILC Dover Inc. y la NASA (EE.UU, 2001), se compone por una malla de filamentos de carbono y resina epoxi, ambos con memoria de forma. El resultado es un sistema reticulado plano que gracias a la implementación de nuevos materiales es capaz de autodesplegarse a determinadas temperaturas. Este prototipo a pequeña escala no encuentras aun aplicaciones arquitectonicas porque actualmente los materiales con memoria de forma tienen limitaciones referentes a sus tamaños, mientras se emplean con éxito en biomecanica. Es el caso de las mallas tubulares utilizadas para problemas de circulación en las arterias, que se deforman y se agrandan cuando son introducidas en el cuerpo.

Un problema de escala

Cuando de la escala del material pasamos a analizar un objeto material, involucramos el hecho que este está construido por partes más pequeñas. Es así por cualquier objeto fabricado por el hombre, pero también para las construcciones animadas e inanimadas de la naturaleza.

Además con el aumento de la escala de referencia, o sea pasar del material al edificio, hay un incremento de la complejidad en términos generales. Cabe recordar que dentro de una escala de magnitudes los seres humanos somos entre los animales más grandes, por lo cual incide la problemática del factor de escala entre el ejemplo natural y la dimensión humana.

Además de limitaciones intrinsecas ligada al desarrollo tecnologico de un caso especifico, el tamaño influye en la relación con el entorno y en particular cambian las dinámicas en las cuales actúan las fuerzas físicas que nos rodean. Los organismos pequeños tienen mayor predisposición a tomar una forma esférica u otras simples, porque son más sujetos que nosotros a fenómenos debidos a la tensión superficial. Mientras que los animales terrestres grandes, de más volumen y por consiguiente de más peso, sienten más la fuerza de gravedad (D’Arcy W. Thompson, 1969).

El cambio de escala nuestra una discontinuidad en el recorrido lógico entre la observación de la naturaleza y la aplicación de sus principios o mecanismos a la técnica. En este sentido una mirada hacia nuestra historia reciente nos ayuda ha explicitar diferentes acercamientos, recordando que en la naturaleza la pequeñez es una condición ancestral, mientras que el gran tamaño supone mayor especialización (S. Vogel, 2000).

Biomimesis aplicada al edificio (orígenes recientes)

La tradición literaria en Europa sobre la analogía existente entre la naturaleza y las invenciones humanas, tanto en el arte como en diferentes áreas científicas, puede remontarse al 1870 con, entre otras, la obra “Las enseñanzas de la naturaleza: la inventiva humana anticipada por la naturaleza” del reverendo J.G. Wood (London, 1862 - Converty, 1923). Pero es a partir de los años 20 y 30, del siglo pasado, que surge el término Biotécnica, atribuido al arquitecto Frederick Kiesler (Ucrania 1890 - EE. UU. 1965) como disciplina que estudia la analogía entre la biología y la tecnología. El debate gira alrededor de la forma como producto de la evolución y por lo tanto óptima y única (P. Steadman, 1982).

En la actualidad sabemos que las formas en la naturaleza no son únicas (aunque algunas son más presentes que otras) y en su observación nos damos cuenta que hay una amplia variedad de soluciones, como por ejemplo la gran variedad de especies de árboles que a su vez han desarrollado múltiples tipologías de hojas, flores, etc. En los años 40 del siglo XX eran conocidas las más de 5.000 especies de diatomeas unicelulares que viven bajo las mismas condiciones. Mientras, a lo largo del tiempo y con diferentes objetivos e interpretaciones, la búsqueda de la optimización en la arquitectura sigue siendo válida, sino necesaria.

Lewis Mumford (EE. UU. 1895 - 1990) describe la arquitectura y el urbanismo biotécnico del futuro, cuyas características principales serían la flexibilidad y la abertura al cambio, ofreciendo así la posibilidad de crecer. En este caso la Biotécnica se propone como una solución a problemas mundiales, como la destrucción de ecosistemas, la polución o el suministro de energía. La imagen es de simplificar y liberar la vida urbana gracias a una tecnología biológica inspirada en modelo de economía de medios, en mecanismos fisiológicos y en el ingenio de las estructuras de los seres vivos (P. Steadman, 1982).

A lo largo del siglo XX se observa cómo la interacción entre la interpretación de la naturaleza y el desarrollo de la técnica ha ido cambiando. En principio vista como forma única y óptima, se refleja en arquitectura con la optimización de la estructura, como una consecuencia lógica. Recordamos los experimentos del ingeniero francés Robert Le Ricolais (Francia 1894 - 1977) con sus prototipos de vigas metálicas atirantadas. Le Ricolais estudia y observa tanto el esqueleto de la radiolaria como del cuerpo humano en los cuales veía una sorprendente economía de material, un andamiaje estructural tridimensional que presentaba una curiosa síntesis entre estructuras trianguladas y láminas resistentes. En estas organizaciones espaciales se encerraba, para él, el futuro de las estructuras (A. Juárez, 2007).

De manera más o menos explícita también ingenieros como Pier Luigi Nervi (Italia, 1891-1979) y Eduardo Torroja (España, 1899-1961) o el arquitecto Félix Candela (España, 1919 - EEUU, 1997) trabajaron en la optimización de la estructura con sus cáscaras nervadas de hormigón. En ellos se encuentra la relación entre materia y formas geométricas que mejora la resistencia y el comportamiento de la estructura para cubrir grandes luces. Sus obras muestran de manera muy clara la función estructural y el desarrollo de nuevas formas a partir de la economía y la eficiencia de los materiales (J. Ochsendorf, 2007).

Es indudable que a lo largo de todo el siglo XX hemos ido aprendiendo de la naturaleza, donde la arquitectura ha aumentado sus niveles de complejidad en la construcción. Nuevos avances investigan la relación forma/función y entran en el dominio de la morfología funcional. Es el caso de arquitectos como Richard Rogers (Florencia, 1933), Nicholas Grimshaw (UK, 1939), Toyo Ito (Seúl, 1941) donde encontramos la aplicación de los principios mecánicos de las estructuras vivientes. Las partes se conectan en un articulado sistema de huesos, tendones y membranas donde la construcción mecánica no está solo en una parte u otra, sino en la armonía y concatenación de todas las partes rígidas, blandas o flexibles aptas a la tracción o la compresión.

De la optimización de la forma del edificio (morfología) un pasaje significativo lleva a mirar y estudiar los procesos de generación de las formas naturales (morfogénesis). Se recuerda, en este sentido, la obra del arquitecto Frei Otto (Alemania, 1925) por sus estructuras inspiradas a los fenómenos biológicos, como: la telaraña y sus estructuras tensadas; la investigación sobre la relación entre membrana neumática en la naturaleza y su aplicación tecnología. En “Fundamentos de una arquitectura del mañana”, publicado en 1997, pone en evidencia cómo «la conciencia ecológica es una novedad en el ámbito de la arquitectura; ha aparecido para proteger no sólo los hombres, sino también la vida en su conjunto. (…) Si no conoce los procesos de la evolución de la forma, el arquitecto carece del control de su propio quehacer; debe conocer la diferencia entre lo que hace y lo que ocurre en los procesos autónomos» (J. M. Songel, 2008).

Escenarios futuros

En la mayoría de los ejemplos propuestos encontramos la aplicación los principios de optimización, economía y eficiencia presentes en la naturaleza, o sea incorporar soluciones que mejoran un comportamiento del material utilizado y/o del sistema en general tanto respecto a sus características intrínsecas como sus connotaciones medioambientales. Donde la relación entre los resultados obtenidos y los recursos utilizados define el nivel de eficiencia.

Por otra parte se observan investigaciones orientadas a la reproducibilidad de mecanismos y/o patrones naturales que a nivel de artefacto arquitectónico conciernen el desarrollo de sistemas autoorganizados como en el proyecto Flying Ghange, de K. Loser y M. Adam y expuesto en Innovation Habitat (Berlín 2007), que investiga la relación entre membrana y elementos neumáticos.

En la misma búsqueda de formalizar las leyes y modos de agregación de las células, está el estudio de superficies polimórficas que estudia la capacidad de adaptación de un mismo elemento, como la variación de ajuste de los 7680 pernos de fijación utilizados para la realización del muro Metapach expuesto en Modulation Exhibition, Rice School of Architecture (Houston, 2004).

Otros ejemplos interesantes se orienta hacia la integración de diferentes elementos como el Pavellón de prensa a Oberstdorf, Alemania, relizados por A. ML & Partners en 2005, donde la tipologia del iglù es reiterpretada con una morfologia compleja y realizada con palet reutilizados. Por otra banda la experiencia del grupo ORPROJECT con la instalación Árbol OR2, relizada en Londres en julio 2010, incorpora el uso de materiales fotoactivos por lo cual de día es fuente de sombras y en la noche emite la luz recolectada por sus células fotovoltaicas.

Conclusiones

Se observa un amplio escenario de posibilidades. La multiplicidad de interpretaciones y puntos de partidas hace que resulten válidos numerosos ejemplos de la naturaleza, algunos estudiados desde hace tiempo y otros más recientes. El campo de trabajo resulta heterogéneo y se encuentran aplicaciones de las dinámicas naturales tanto a nivel de nuevos materiales o de sistemas y mecanismos. En cualquier caso no se encuentran aun soluciones que responden totalmente a una visión de una arquitectura integrada en el medio natural y con un impacto cero a lo largo de su ciclo de vida. Sobre todo si se involucra también la fase de extracción del material, su manipulación y producción.

A partir de un primer acercamiento que imita las formas naturales se definen otros niveles de complejidad que buscan imitar los procesos naturales hasta reproducir o copiar el funcionamiento de los ecosistemas. En arquitectura esto implica buscar soluciones que respondan a las problemáticas de las relaciones entre el objeto construido y su entorno, el ecosistema.

En este marco la Biomimesis aparece un camino abierto que busca, como otras vías de investigación, re/insertar la técnica humana en un ciclo de vida cerrado sin perder la calidad de vida que hemos alcanzado. Y donde unas de las problemáticas fundamentales es representada por la escala en los diferentes niveles de la observación de la naturaleza (biosfera, ecosistema, grupo de individuos, organismo o partes del mismo, etc.), de la aplicación en la arquitectura (materiales, elementos, sistemas, edificio, ciudad, etc.) o de los procesos arquitectónicos involucrados (manipulación, trasformación, construcción, deconstrucción, etc.).

Referencias:

Ludovica Rossi, 2010, “Arquitectura e Biomimesis. Caso de estudio: análisis del tejido del cactus para modelos arquitectónicos inspirados en la naturalezza”, Tesina Master en Tecnología de la Arquitectura, tutor prof. Fernando Juan Ramos Galino, Departamento de Construcciones Arquitectónicas 1, Universidad Politécnica de Catalunya. http://mastersuniversitaris.upc.edu/tecnologiaarquitectura/tesis/2010/Rossi.pdf

Jordi Alemany, 2009, El futuro está en la naturaleza”, Revista EcoHabitar n. 22 Verano.

Josep Ignasi Llorens Durán, 2008, “Zoomorfismo y bio-arquitectura. Entre la analogía formal y la aplicación de los principios de la naturaleza”, Departament de Construccions Arquitectòniques I, Universitat Politècnica de Catalunya. Conference report: II Jornadas de investigación en construcción: Actas de las Jornadas. Madrid: Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja, España. http://hdl.handle.net/2117/2156

Juan María Songel, 2008, “Frei Otto. Conversación con Juan María Songel”, Ed. Gustavo Gili, Barcelona.

Michael Hensel, Achim Menges y Michael Weinstock, 2006, “AD 180: Techniques and Technologies in morphogenetic design”, Ed. Wiley Academy.

Matilda McQuaid, 2005, “Extreme textiles. Designing for high performance.”, Princeton Architectural Press, New York.

Steven Vogel, 2000, “Anca y palanca. Mecánica natural y mecánica humana”, Ed. Tusquets, Barcelona.

Eugene Tsui, 1999, “Evolutionary architecture : nature as a basis for design”, Ed. John Wiley, New York.

Philip Stedman, 1982, “Arquitectura y Naturaleza. La analogía biológica en el diseño” Blumes Ediciones, Madrid.

Peter Pearce, 1978, “Structure in nature: is as strategy for design”, The MIT Press Cambrige, London.

Heinz Hossdorf y Carlos Benito Hernández, 1972, “Modelos reducidos” Ed. IETcc, Madrid.

D’Arcy W. Thompson, 1969, “Crescita e Forma. La geometria della natura”, Ed. Boringhieri, Torino.

Enlaces de interés:

Biomimicry Institute

Wyss Institute (for Biologically Inspired Engineering)

TensiNet association

Institut Initiative pour la Promotion d’une Industrie Réconciliée avec l’Ecologie et la société (INSPIRE)