Diseño biomimético: Cuando la naturaleza inspira la ingeniería moderna

Desde la forma del pez caja hasta el movimiento flexible de las plantas, la naturaleza es la mayor fuente de inspiración para dar soluciones a problemas de ingeniería. Justamente eso es lo que busca el Hopper Project de Key Institute: un mecanismo que salte, imitando la biomecánica de los animales. Así que, si todavía no le encuentras mucho sentido a investigar cómo y por qué salta un animal, en este artículo te muestro cómo aprender de la naturaleza ayuda a crear sistemas más eficientes, fuertes y sostenibles.

A continuación, verás dos ejemplos de cómo el observar la naturaleza puede inspirar nuevas ideas tecnológicas: el diseño aerodinámico del pez caja y los actuadores flexibles inspirados en plantas.

El pez caja es uno de esos animales que vemos y no podemos evitar pensar en lo curioso de su apariencia; su forma poco convencional hace que su resistencia al agua sea considerablemente alta. Su forma cuadrada y compacta permite que el agua fluya suavemente alrededor de su cuerpo, evitando fuertes turbulencias y generando una recuperación de presión eficiente en la parte trasera, lo que reduce el arrastre.

Harun Chowdhury y Bavin Loganathan, de ABScube Engineering & Education Services, crearon un vehículo aplicando características morfológicas del pez caja (como la curvatura lateral y el redondeo de las esquinas). Para ello, crearon un modelo 3D en SolidWorks y realizaron simulaciones aerodinámicas mediante análisis CFD (Computational Fluid Dynamics) en ANSYS. Los resultados demostraron una reducción significativa del coeficiente de arrastre, a comparación de otros modelos comerciales.

El modelo simplificado inspirado en este pez alcanzó un coeficiente de arrastre aproximado de 0.17, en comparación con un miniván tradicional, que posee un coeficiente de 0.36. Incluso el vehículo completo, que combina estética y funcionalidad, logró un coeficiente de arrastre de 0.24, evidenciando una mejora considerable en eficiencia aerodinámica.

En este ejemplo vemos claramente que la mejor inspiración para los ingenieros es la naturaleza. Además, comprobamos que SolidWorks no solo sirve para hacer las tareas que se nos asignan, sino también para crear inventos sorprendentes e innovadores que pueden cambiar la industria.

Además, el diseño biomimético no solo puede inspirarse en los animales, sino también a las plantas. Michael Philen de Virginia Polytechnic Institute and State University desarrolló actuadores llamados Flexible Matrix Composite (FMC), que presentan una relación potencia/peso muy alta, superando por mucho a los motores eléctricos convencionales.

Los FMC fueron inspirados por las paredes celulares de las plantas. Estas tienen una red de fibras rígidas orientadas dentro de una matriz flexible que les permite moverse, como cuando algunas hojas se doblan o se cierran rápidamente. Los FMC imitan esa estructura de fibras en una matriz para producir movimientos de contracción, extensión o incluso torsión.

Estos actuadores, eventualmente, fueron colocados en la cola de un pez artificial, que buscaba imitar cómo los peces se mueven para nadar. Gracias a los actuadores, el pez artificial logra un movimiento eficiente y silencioso, similar al de un pez real.

En el Hopper Project, sí utilizamos la biomecánica de un animal, pero no está de más saber que los animales no son los únicos en contribuir a la ingeniería. La flora nos ofrece igualmente lecciones valiosas, y, si somos lo suficientemente observadores, podremos encontrar en ella soluciones ingeniosas para los desafíos del futuro.

Tanto en plantas como animales, la biomimética nos demuestra una vez más que la naturaleza lleva millones de años resolviendo problemas que los seres humanos apenas están empezando a comprender. Desde la forma en que el pez caja inspiró un vehículo más aerodinámico, hasta cómo el movimiento de las plantas dio origen a actuadores flexibles.

Ambos ejemplos muestran que muchas veces la innovación empieza mediante la observación y la investigación. El Hopper Project nos lleva a aplicar estos mismos principios, entendiendo que a veces, las ideas más innovadoras y factibles, nacen de la simple observación de la capacidad de una planta para moverse o de la forma peculiar de un pez. Si aprendemos a detenernos a escuchar lo que la naturaleza ya sabe, la ingeniería puede llevar a un avance superior, sin olvidar su origen. La naturaleza no solo inspira, también nos guía en cada paso que tomamos.

Bibliografía

Philen, M. K. (2012). Plant-inspired flexible matrix composite actuators for biomimetic underwater propulsion systems. En M. K. Philen (Ed.), Bioinspiration and biomimetics in fluid mechanics (pp. 167-192). Springer.

Chowdhury, H., & Loganathan, B. (2022). Biomimetics of boxfish: Designing an aerodynamically efficient passenger car. In Biomimicry for Aerospace (pp. 211–235). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-821074-1.00007-4