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23 noviembre 2017

El reino animal inspira a los científicos

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Para superar los desafíos del entorno y ser capaces de sobrevivir, los animales han desarrollado diferentes habilidades a lo largo de millones de años. Desde un pelaje grueso para protegerse de las bajas temperaturas, a cientos de ojos que controlan los movimientos de sus adversarios.

El ser humano no cuenta con ninguna de estas extraordinarias capacidades pero, gracias a su inteligencia, está tratando de imitarlas en el laboratorio. En esa biomímesis trabajan miles de científicos de todo el mundo en áreas como los nuevos materiales, la energía o la robótica. La naturaleza es su musa.

Aleteos por mar y aire

Con solo 175 miligramos de peso, RoboBee es un robot insectoide capaz de volar y nadar. Las abejas productoras de miel, con un peso similar y una frecuencia de aleteo muy parecida, han servido de inspiración a los científicos que lo han diseñado. También se han fijado en algunas especies de plancton, que aletean bajo el agua.

“Es el primer microrobot híbrido aéreo y acuático en la escala de insectos”, explica a OpenMind Yufeng Chen, investigador de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de la Universidad de Harvard (EEUU). En un estudio publicado en la revista Science Robotics, Chen y el resto de científicos han demostrado por primera vez que la locomoción del ala del aleteo es factible tanto en el aire como en el agua. Esta cualidad servirá para que los robots participen en rescates acuáticos o analicen la calidad del agua.

Bajo el pelo polar

Para protegerse de las bajas temperaturas en las que habita, el oso polar cuenta con un pelaje muy diferente al de otros animales. “Su pelo tiene una estructura singular bien perfilada a nivel microscópico que permite atrapar aire dentro, lo que le sirve para conseguir el aislamiento térmico necesario”, describe a OpenMind Mohamed Khayet, catedrático de Física Aplicada y director del grupo Membranas y Energías Renovables de la Universidad Complutense de Madrid.

El pelo del oso polar tiene una estructura bien perfilada a nivel microscópico que permite atrapar aire dentro, lo que le sirve de aislamiento térmico. Crédito: AWeith

Estas propiedades térmicas han inspirado a un equipo de científicos para diseñar un nuevo tipo de membranas nanoestructuradas. Fijándose en la estructura del pelo, han desarrollado un dispositivo que consigue una baja conductividad térmica y que puede usarse para el tratamiento de aguas, incluida la desalación de aguas con un alto contenido en sales o salmueras. Además, con este tipo de membranas se pueden tratar aguas contaminadas con materiales radiactivos y recuperar productos de gran valor para la industria. “La naturaleza esconde respuestas a la mayoría de las preguntas que los científicos nos planteamos para desarrollar nuevos materiales”, sostiene Khayet.

Imitando a las moscas

Las moscas y otros insectos tienen ojos compuestos, es decir, que están formados por decenas e incluso miles de lentes que les permiten detectar movimientos muy rápidos. Precisamente esa especie de panal visual ha resuelto el problema que tenía un equipo de investigadores de la Universidad de Stanford (EEUU) con sus células solares basadas en perovskita.

Las moscas tienen ojos compuestos, formados por decenas e incluso miles de lentes que les permiten detectar movimientos muy rápidos. Crédito: Virvoreanu-Laurentiu

Este material es capaz de convertir la luz solar en electricidad con una eficiencia similar a las células solares tradicionales fabricadas con silicio. El problema es su fragilidad y que se deteriora cuando se expone a altas temperaturas y a humedad, al menos con diseños planos, los habituales en la mayoría de paneles solares. Imitando los ojos de las moscas, los investigadores han creado una célula solar compuesta por un gran panal de perovskitas, cada una siguiendo una forma hexagonal de 500 micras de ancho. Probada en condiciones extremas, la célula siguió generando electricidad con una eficiencia alta, mejorando lo conseguido con diseños planos.

Tras las alas negras

Los insectos y el sector energético forman un buen equipo. Las alas de la mariposa negra (Pachliopta aristolochiae) podrían mejorar la absorción de la luz hasta un 200%. “El hecho de que esta especie de mariposa sea tan negra significa que absorbe eficientemente la luz solar, al menos, en su porción visible”, señala a OpenMind Guillaume Gomard, investigador del Instituto Tecnológico de Karlsruhe (Alemania).

Las nanoestructuras del ala de Pachliopta aristolochiae se pueden transferir a células solares y aumentar sus tasas de absorción hasta en un 200%. Crédito: Radwanul H. Siddique, KIT/Caltech.

En un artículo publicado en Science Advances, Gomard y el resto de científicos han estudiado las propiedades de estas particulares alas y las han copiado en células solares. Una de sus características es que tienen nanoagujeros de diámetros variables ubicados de forma desordenada. “El aparente desorden del diseño de la mariposa negra es ventajoso para conseguir más luz, independientemente de las condiciones de iluminación”, destaca el investigador. Su disposición desordenada permite la absorción en un espectro muy amplio y garantiza que la luz se absorba de forma eficiente, sea cual sea la posición del Sol en el cielo.

Giros a golpe de clic

Aunque hay escarabajos que si se ponen bocarriba no son capaces de darse la vuelta, existe una familia, los elatéridos, que ha superado este problema gracias a un clic generado por su cuerpo que los lanza al aire. Un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois (EEUU) ha estudiado este mecanismo tipo bisagra entre la cabeza y el abdomen de los insectos que les permite voltearse y sostenerse de nuevo con sus propias patas.

Los elatéridos pueden saltar sin la ayuda de sus extremidades cuando están tumbados sobre la espalda. Crédito: Judy Gallagher

El objetivo de los científicos es imitarlo en el laboratorio para incorporarlo en robots que, si se caen o vuelcan, no pueden incorporarse por sí mismos. Para ello, están estudiando diferentes especies de elatéridos que varían de unos pocos milímetros a varios centímetros de longitud. El equipo de investigadores, formado por ingenieros y entomólogos, ha construido varios prototipos que ya ha presentado en diferentes ferias de innovación.

Laura Chaparro

@laura_chaparro

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