Inspiración animal

La naturaleza es una fuente inagotable de ideas y soluciones. El vuelo de los halcones, el planeo de los buitres, las cabezas y plumas de las rapaces nocturnas sirven de modelo para diseñar aviones, trenes y robots. El parecido es sorprendente. Basta mirar y leer estas páginas

Un halcón en una prueba de cetreria tiene similitudes con un piloto de un cazabombardero
Un halcón en una prueba de cetreria tiene similitudes con un piloto de un cazabombarderoALAIN ERNOULT

La naturaleza es fuente de inspiración inagotable para la ingeniería desde hace siglos. Leonardo da Vinci basó sus extraordinarias máquinas voladoras en la estructura y los movimientos de pájaros y murciélagos, y el francés Gustave Eiffel copió del fémur humano las curvaturas de su famosa torre. Más recientemente, los diseñadores del tren bala japonés han buscado soluciones a su impacto acústico en las plumas aserradas de los búhos, que hacen de ellos las más silenciosas de las aves. Incluso las termiteras y su sistema de ventilación han servido de modelo a los arquitectos de Zimbabue para climatizar el mayor centro comercial del país africano.

Esa costumbre del copiado se ha visto revolucionada con la llegada de la biomimicry o biomímesis, la disciplina que aprovecha los diseños obtenidos por la madre natura tras millones de años de "ensayo y error" en adaptaciones evolutivas. No se trata, aclaran sus promotores, de calcar íntegramente un modelo natural adaptado a un entorno particular, sino de escoger aquellas partes que puedan servir a una finalidad concreta. Un ejemplo clásico lo proporciona el velcro: el tejido sintético imita los diminutos garfios con los que los cardos se adhieren a la pelambre de los animales.

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La diferencia entre la imitación a la vieja usanza y la biomímesis salta a la vista en la aviación. Como nos recuerda la leyenda de Ícaro, los pájaros han sido el modelo de quienes querían volar (difícilmente las otras criaturas voladoras, los insectos, fascinen tanto como la ascensión del águila o el picado del halcón). Lo seguían siendo en 1903, cuando el planeo del buitre indujo a los hermanos Wright a construir el primer avión tripulado. El afán imitativo hizo que las aeronaves tuviesen alas y cola, y ruedas en remedo de las patas de los pájaros. Hoy, el ideal de un avión que navegue eficaz y elegantemente como un ave continúa siendo un acicate para la ingeniería aeronáutica.

Pero la imitación total no garantiza el éxito, como se deduce del malogrado ornitóptero, la máquina concebida para volar batiendo las alas. Los pájaros se desplazan de forma compleja, y reproducir mecánicamente su aleteo y sus movimientos en despegue, giro, remonte, suspensión y aterrizaje representa un horizonte técnico actualmente inalcanzable. Por esa limitación, los ornitópteros únicamente han conseguido surcar los cielos de la ciencia-ficción, tal como ocurre en Dune, la trilogía del novelista Frank Herbert, en donde cumplen funciones de transporte militar.

La biomímesis procede de otra manera, fijándose metas puntuales como, por citar un caso, copiar el poder de metamorfosis de las alas de pájaro. "Las alas rígidas no son lo mejor para cada fase de vuelo", advierte George Lesieutre, ingeniero aeronáutico de la Universidad Estatal de Pensilvania. Volar a alta velocidad requiere alas pequeñas en forma de flecha, mientras a baja velocidad son más convenientes largas y estrechas. Las aves se adaptan a esas condiciones mediante sutiles variaciones en el contorno de sus alas. De hacer lo mismo, los aviones "verían reducirse la resistencia del aire junto con su consumo de combustible", dice Lesieutre.

¿Cómo consigue la ingeniería lo que los pájaros obtienen alterando la disposición de sus huesos y plumas? Los Wright se valían de cables para tirar manualmente de la punta de las alas y doblarlas en los giros. Las versiones actuales son más sofisticadas: véase el cazabombardero F/A-18, con alas capaces de torcerse de modo controlado, en el marco de un programa experimental promovido por la firma Boeing y la NASA. El truco radica en las aletas del borde de su ala, divididas en piezas separadas. El gestor del programa, Jim Guffey, lo califica de "primer paso hacia un avión mutante con una superficie continuamente flexible", versátil, capaz de adaptar su forma a cualquier velocidad y altura. Cuando se alcance ese objetivo -posiblemente por la incorporación de materiales inteligentes con memoria de forma-, la aviación entrará en una nueva era.

Mucho antes que las aves, los insectos fueron las primeras criaturas terrestres en ganar el aire; de ahí que en aerodinámica haya mucho que aprender de ellos. El conocimiento exacto de sus dispositivos de vuelo está por fin saliendo a la luz. Tal es el caso del movimiento empleado por las libélulas para engañar a sus presas haciéndolas creer que se encuentran inmóviles en el aire; un ardid que investigadores australianos han desentrañado con la idea de aplicarlo a los aviones camuflados y las aeronaves sin piloto.

Por el contrario, de la táctica defensiva del escarabajo bombardero podrían derivarse aplicaciones pacíficas. El insecto lanza a sus enemigos un chorro de líquido hirviendo a alta presión gracias a su minúscula cámara de combustión de alto rendimiento. Mediante esa técnica de ignición, los científicos de la Universidad de Leeds (Reino Unido) esperan resolver un formidable reto: reencender una turbina de aviación que se ha apagado cuando la temperatura exterior ronda los 50 grados bajo cero. Copiando al coleóptero, quieren provocar el encendido inyectando chorros de plasma en el motor.

La avidez por arrancar a los insectos el secreto de sus acrobacias aéreas ha llevado a los expertos a realizar hazañas experimentales como atar moscas y mariposas, y fotografiar sus alitas con cámaras ultrarrápidas en el interior de túneles de viento. Por ese método, el zoólogo Adrian Thomas, de la Universidad de Oxford (Reino Unido), identificó seis maneras diferentes de aleteo y rotación de sus alas membranosas, y descubrió que los lepidópteros alternan una y otra sin esfuerzos y con gran eficiencia, creando a veces remolinos deliberadamente para mejorar su sustentación. "Su revoloteo no es errático ni azaroso", dice Thomas en un artículo publicado en Nature, "sino que resulta del dominio de una amplia gama de mecanismos aerodinámicos".

Comprender los entresijos del vuelo a escalas diminutas resulta indispensable con vistas al diseño de microvehículos voladores, pues sólo imitando a los insectos podrán mantenerse en el aire con soltura. Thomas vaticina que "en un lapso breve seremos capaces de construir un aparato con alas de 10 centímetros de largo, autónomo o controlado". Una perspectiva potencialmente interesante para las fuerzas de seguridad, "ya que si colocan una cámara a tales dispositivos podrán enviarlos a cuevas u otros pequeños espacios en misión de reconocimiento". De todos modos, y aunque la miniaturización avanza a toda prisa, los ingenieros reconocen que aún les queda mucho por aprender de la agilidad, capacidad de aterrizaje y despegue corto de los insectos.

Otro campo en el que la biomímesis está dando resultados palpables es el de la robótica. Aquí, el modelo tradicional, el ser humano, ha cedido su lugar a las nuevas musas de los ingenieros: cucarachas, gusanos, arañas… En consecuencia, los robots están pasando de tener dos patas a contar con cuatro y seis, al estilo de los bichos que trepan y se arrastran. "El cambio de orientación se produjo en los años ochenta, al calor del concepto 'lo pequeño es hermoso', y se abandonaron los robots voluminosos a favor de los pequeños, más especializados, polivalentes y que operan cooperativamente", explica Alicia Casals, catedrática de tecnología de computadores de la Universidad Politécnica de Cataluña.

La demanda de autómatas diestros en subir paredes y corretear por terrenos impracticables impulsó el estudio de la mecánica de las extremidades de animales adaptados a cualquiera de los nichos en los que siempre se ha querido enviar robots; es decir, han analizado cómo corren y saltan las cucarachas, cómo andan los gecos por paredes y techos, y cómo reptan las serpientes.

El fruto de lo aprendido lo tenemos en Rhex, el robot inventado por los cerebros del Pentágono. A este autómata -apto para desplazarse por la arena, la vegetación o las vías del tren- le pondrán patas similares a las del geco para aumentar su movilidad y utilizarlo en la lucha antiterrorista. Con miras más humanitarias, un equipo de la Universidad Carnegie Mellon (EE UU) prepara robots sin patas basados en ofidios y trompas de elefante, concebidos para buscar supervivientes entre los escombros o inspeccionar tanques subterráneos. Y a la lista habría que agregar la ciberpulga, la chinche artificial y demás especímenes de la fauna electromecánica.

Una vez más, la ciencia y la técnica vuelven a recurrir a las soluciones de la ingeniería natural, reconociendo con ese gesto que no pueden igualar los ingeniosos diseños y la eficacia de los sistemas que abundan en el mundo animal. "Si hay algo en que la selección natural sea buena es en eliminar las soluciones poco sólidas", reflexiona el entomólogo Francis Rantnieks, de la Universidad de Sheffield (Reino Unido). No en vano, la naturaleza viene haciendo investigación y desarrollo desde hace casi 4.000 millones de años. Lo cual representa un argumento más -y muy contundente- a favor de la preservación de los millones de especies vivientes y sus cualidades dignas de imitación. "Los animales nos seguirán aportando modelos fundamentales tanto en su estructura como en su reacción al entorno", prevé Alicia Casals. Pese a todos los avances logrados en bioinspiración, apenas hemos arañado su potencial, señala la catedrática de la Politécnica. Pone un ejemplo: "Las antenas de los insectos, un extraordinario instrumento biológico que estamos todavía lejos de imitar".

* Este artículo apareció en la edición impresa del 0003, 03 de diciembre de 2006.