Diseños arquitectónicos basados en plantas

No existe mejor inspiración que la Naturaleza, el refinamiento de miles de adaptaciones de los seres vivos a lo largo de muchos años resulta el modelo perfecto para que los humanos comencemos a imitarla.  Con esta idea surge el término de biomimética.

La biomimética (del griego “bios” vida y “mimesis” imitar) se define como la abstracción de un buen diseño de la Naturaleza [1] o la disciplina que imita los diseños y procesos de la Naturaleza para crear un planeta más sustentable [2].

Esta disciplina se ha desarrollado por mucho tiempo en áreas como la medicina y la ingeniería, sin embargo actualmente se le está dando gran énfasis en la arquitectura con el fin de crear estructuras más eficientes que produzcan su propia energía [3].

En este artículo vamos a revisar un modelo arquitectónico alemán, ya patentado, que para su diseño se basó en la cinemática de tres plantas [4] [5] (Fig.1):

  • La flor del pájaro (Strelitzia reginae)
  • El eucalipto (Eucalyptus sp)
  • La planta carnívora Aldrovanda vesiculosa

 

Fig. 1. Plantas usadas para el desarrollo de un modelo arquitectónico alemán.

 

¿Se imaginan cómo? Pues su creación resulta una idea bastante llamativa producto del trabajo multidisciplinario de biólogos, arquitectos e ingenieros de la Universidad de Stuttgart (Institute of Building Structures and Structural Design, ITKE)  que se dedicaron a crear un sistema de persianas capaz de doblarse 90°C sin usar bisagras que denominaron FlectofinR. El objetivo de su trabajo fue para utilizarse como sistema de enfriamiento  en la fachada de los edificios [4] [5].

 La flor del pájaro y su mecanismo de polinización

Strelitzia reginae  o la flor del pájaro, de origen sudafricano, se compone de una percha que sobresale, compuesta de dos pétalos azules unidos, que funciona como una plataforma de aterrizaje. Tiene como polinizadores naturales a cierto tipo de aves que, al posarse sobre la flor para alcanzar el néctar, su peso dobla la flor exponiendo las anteras que contienen el polen (parte sexual masculina de la flor) el cual es adherido a las patas del ave. Cuando el ave se va, la flor vuelve a su estado original resguardando su preciado polen [4] (Fig.2).

Este mecanismo natural de deformación reversible cuando se aplica una fuerza mecánica externa (el peso del ave) es un tipo de persiana  sin bisagra, capaz de cambiar 90° desplazándose de su soporte.

Esta estructura natural flexible sin bisagras es muy importante para el diseño de objetos, ya que ciertas estructuras cotidianas que pueden desplegarse como sombrillas o persianas son hechas con estructuras rígidas que tienen cierta vida útil y es necesario reemplazarlas continuamente.  De ahí surge la primera idea de crear una estructura con deformación reversible parecida a estas flores que pueden desplegarse debido a sus propiedades elásticas.

El primer paso fue conocer la estructura interna de la flor y determinar cómo eran las células que permitían esta flexión [6]. Posteriormente los investigadores realizaron un modelo físico de deformación que imitara al de la flor pájaro. Esto lo lograron al colocar una base flexible a una lámina, de tal forma que al doblar la base se deformara también la lámina 90° (Fig.3). Un aspecto importante es encontrar el material adecuado para el modelo, de la cual usaron polímeros de fibra reforzados [4].

Fig.2 La flor del ave está compuesta por dos pétalos azules unidos que funcionan como una percha para que las aves se posen y con su peso deformen la flor exponiendo el polen. Está estrategia de polinización sirvió como modelo para desarrollar un mecanismo de deformación reversible en flectofinR.

Geometría del contorno de la hoja de Eucaliptus

Teniendo ya su modelo de deformación, los investigadores se percataron que podían reforzar el contorno de la lámina basándose en la geometría del contorno de una hoja de eucaliptus lo que permite reducir el estrés que sufre el material al doblarse [4] (Fig.3).

Fig.3. Modelo físico del principio de deformación de Strelitzia reginae. Su diseño se basó en crear una base flexible que al aplicarle una fuerza la lámina anclada se doble 90° (al igual que la flor).  Además optimizaron el contorno de la lámina copiando la geometría de una hoja de Eucalipto, lo que reduce el estrés al doblarse.

El mecanismo de trampa de Aldrovanda vesiculosa

Después de tener el tipo de flexión que necesitaban, los investigadores querían mejorar el mecanismo de curvatura, para esto querían imitar el movimiento natural de las plantas. En este caso usaron como modelo a la planta carnívora acuática Aldrovana vesiculosa o rueda de agua.

De esta planta copiaron el mecanismo que usa su trampa, como otro ejemplo de deformación reversible. Cada trampa,  con la que la captura diminutos crustáceos, tiene forma de pequeñas almejas con un eje central, funcionando como una bisagra viva. Cuando la presa estimula la trampa tocando los pelos sensitivos  se inicia una cascada de deformación, inicialmente con una contracción del eje central para finalizar con el doblamiento de los lóbulos y así encerrar a la presa.

Fig.4.  Esquema de la planta carnívora Aldrovanda vesiculosa, se indican las trampas y su conformación. Cada trampa está compuesta de dos lóbulos que parecen una almeja. Los investigadores para su modelo arquitectónico copiaron los ángulos de la curvatura de la trampa, lo que permitiría un movimiento más natural.

Los investigadores estudiaron e imitaron los ángulos que forman los dos lóbulos para formar la curvatura de flectofinR [4] (Fig.5). Finalmente, su sistema de persianas consistió en dos láminas con una base flexible, tal como se muestra en la (Fig. 6). Quizá parezca sencillo el modelo, pero para su diseño se  necesitó un excelente conocimiento del modelo biológico y finalmente su abstracción mecánica [4][5].

Fig.5.  Caricatura del modelo FlectofinR. Se trata de un diseño de persianas dobles que copió la cinemática de tres plantas, lo que permite un mejor desplazamiento de apertura y cierre por el aire.

Como se mencionó al principio, el fin de este diseño es para utilizarse en los sistemas de sombreado (shading systems) de la fachada de los edificios con el fin de que tengan la capacidad de adaptarse a las condiciones de luz y temperatura y, así, ahorrar energía y mejorar el clima del edificio. Los beneficios que presenta este modelo son: resistencia al viento, durabilidad, flexibilidad, bajo costo, con el objetivo de tener un sistema de enfriamiento barato y que no contamine [3] [4].

Fig.6. Modelo real de FlectofinR . Tomado de: jhttp://www.str-ucture.com/en/what/research-and-development/reference/flectofinR/

Otro ejemplo que existe, es el de un pabellón koreano con placas que responde a las condiciones de luz durante el día (Fig. 7) [3]

Fig.7. Pabellón koreano, que puede abrir y cerrar sus placas facilitando la ventilación. Tomado de https://www.archdaily.com

En suma, los modelos arquitectónicos comunes tienen la característica de ser estáticos, por lo que el diseño de modelos biomiméticos puede ser una solución para reducir costos y energía durante el enfriamiento y ventilación de edificios. Asimismo resulta valioso el diseño basado en las adaptaciones en plantas, ya que por su naturaleza sésil, son una fuente basta de ideas originales para contender contra factores climáticos como humedad, sequía, congelamiento, etc. Por ejemplo las plantas que poseen ciertos pelos en sus hojas para reflejar la luz solar, otras que enrollan sus hojas en respuesta a temperatura o  hidrofobicidad para evitar la excesiva evaporación.

Glosario

-Cinemática: Perteneciente o relativo al movimiento.    Rama de la física que estudia el movimiento prescindiendo de las fuerzas que lo producen.

-Hidrofobicidad. Cuando molécula en cuestión no es capaz de interaccionar con las moléculas de agua

Fuentes de consulta

[1] Vincent, J., Bogatyreva, O., Bogatyrev, N., Bowyer, N., Pahl, K., (2006). Biomimetics: its practice and theory. J R Soc Interface 3(9) 471–82.doi 10.3233/FDE-150026.

[2] Benyus JM. (2002). Biomimicry: innovation inspired by nature. 2nd ed.. New York: H. Collins Pub.

[3] López, M., Rubio, R., Martín, S., & Croxford, B. (2017). How plants inspire façades. From plants to architecture: Biomimetic principles for the development of adaptive architectural envelopes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 67, 692-703. doi:10.1016/j.rser.2016.09.018

[4]FlectofinR A Hinge-less Flapping Mechanism Inspired by Nature www.itke.uni-stuttgart.de/download.php?id=486

[5] Lienhard, J., Schleicher, S., Poppinga, S., Masselter, T., Milwich, M., Speck, T., & Knippers, J. (2011). Flectofin: a hingeless flapping mechanism inspired by nature. Bioinspiration & Biomimetics, 6(4), 045001. doi:10.1088/1748-3182/6/4/045001bg

[6] Kronestedt, E., Bjorn, W. (1986). Anatomy of the Strelitzia reginae flower (Strelitziaceae). Nord. J. Bot. – Section of structural botany, 6, 307-320. doi: 10.1111/j.1756-1051.1986.tb00884.x

 

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión /  Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión /  Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión /  Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión /  Cambiar )

Conectando a %s