
La biomimética o biomímesis es la replicación de los modelos, sistemas y elementos de la naturaleza con el propósito de resolver problemas humanos complejos. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Los términos "biomimética" y "biomímesis" derivan del griego antiguo : βίος ( bios ), vida, y μίμησις ( mīmēsis ), imitación, de μιμεῖσθαι ( mīmeisthai ), imitar, de μῖμος ( mimos ), actor. Combinar la palabra significa imitar la vida. Un campo estrechamente relacionado es la biónica . [ 5 ] La nanobiomimética es la especialización de la nanobiomimética en la nanoescala . [ 6 ] [ 7 ]
La teoría de la evolución es una característica de los sistemas biológicos durante más de 3.8 mil millones de años según estimaciones de aparición de vida observadas. [ 8 ] Evolución teórica de especies con alto rendimiento utilizando materiales comunes. Las superficies de los sólidos interactúan con otras superficies y el entorno y derivan las propiedades de los materiales. Los materiales biológicos están altamente organizados desde la molecular hasta las nano, micro y macroescalas, a menudo de manera jerárquica con una intrincada nanoarquitectura que finalmente conforma una miríada de diferentes elementos funcionales. [ 9 ] Las propiedades de los materiales y las superficies resultan de una interacción compleja entre la estructura y morfología de la superficie y las propiedades físicas y químicas. Muchos materiales, superficies y objetos en general proporcionan multifuncionalidad.
Se han fabricado diversos materiales, estructuras y dispositivos con fines comerciales por ingenieros, científicos de materiales , químicos y biólogos, y por motivos estéticos, estructurales y de diseño por artistas y arquitectos. La naturaleza ha resuelto problemas de ingeniería como la capacidad de autorreparación, la tolerancia y resistencia a la exposición ambiental, la hidrofobicidad , el autoensamblaje y el aprovechamiento de la energía solar . El impacto económico de los materiales y superficies bioinspirados es significativo, del orden de varios cientos de miles de millones de dólares anuales en todo el mundo.
Historia
Uno de los primeros ejemplos de biomímesis fue el estudio de aves y murciélagos para posibilitar el vuelo humano . Aunque nunca logró crear una "máquina voladora", Leonardo da Vinci (1452-1519) fue un observador perspicaz de la anatomía y el vuelo de aves y mamíferos, y realizó numerosas notas y bocetos de sus observaciones, así como bocetos de "máquinas voladoras". [ 10 ] Los hermanos Wright , quienes lograron volar el primer avión más pesado que el aire en 1903, supuestamente se inspiraron en observaciones de palomas en vuelo. [ 11 ]

Durante la década de 1950, el biofísico y polímata estadounidense Otto Schmitt desarrolló el concepto de "biomimética". [ 3 ] Durante su investigación doctoral, desarrolló el disparador de Schmitt estudiando los nervios del calamar, intentando diseñar un dispositivo que replicara el sistema biológico de propagación nerviosa . [ 12 ] Continuó centrándose en dispositivos que imitan sistemas naturales y, en 1957, percibió una visión opuesta a la visión estándar de la biofísica de la época, una visión que posteriormente denominaría biomimética. [ 3 ]
La biofísica no es tanto una materia de estudio como una perspectiva. Es un enfoque para abordar problemas de las ciencias biológicas utilizando la teoría y la tecnología de las ciencias físicas. A la inversa, la biofísica también es el enfoque de un biólogo para abordar problemas de las ciencias físicas y la ingeniería, aunque este aspecto ha sido en gran medida ignorado.
— Otto Herbert Schmitt, En agradecimiento, una vida de conexiones [ 13 ]
En 1960, Jack E. Steele acuñó un término similar, biónica , en la Base de la Fuerza Aérea Wright-Patterson en Dayton, Ohio, donde también trabajaba Otto Schmitt. Steele definió la biónica como "la ciencia de los sistemas que tienen alguna función copiada de la naturaleza, o que representan características de los sistemas naturales o sus análogos". [ 5 ] [ 14 ] Durante una reunión posterior en 1963, Schmitt declaró:
Consideremos qué significa operativamente la biónica y qué debería significar, o alguna palabra similar (prefiero biomimética), para aprovechar al máximo las habilidades técnicas de los científicos que se especializan, o mejor dicho, se desespecializan en esta área de investigación.
— Otto Herbert Schmitt, En agradecimiento, Una vida de conexiones: Otto Herbert Schmitt, 1913 - 1998
En 1969, Schmitt utilizó el término «biomimético» en el título de uno de sus artículos, [ 15 ] y para 1974 ya figuraba en el Diccionario Webster . La biónica entró en el mismo diccionario a principios de 1960 como «una ciencia que se ocupa de la aplicación de datos sobre el funcionamiento de los sistemas biológicos a la solución de problemas de ingeniería». El término «biónico» adquirió una connotación diferente cuando Martin Caidin hizo referencia a Jack Steele y su trabajo en la novela Cyborg , que posteriormente dio lugar a la serie de televisión de 1974 El hombre de los seis millones de dólares y sus derivados. El término «biónico» se asoció entonces con «el uso de partes del cuerpo artificiales operadas electrónicamente» y con «tener poderes humanos ordinarios aumentados por o como si fuera por la ayuda de tales dispositivos». [ 16 ] Debido a que el término «biónico» adquirió la implicación de fuerza sobrenatural, la comunidad científica en los países de habla inglesa lo abandonó en gran medida. [ 14 ]
El término biomímesis apareció ya en 1982. [ 17 ] La biomímesis fue popularizada por la científica y autora Janine Benyus en su libro de 1997, Biomimicry: Innovation Inspired by Nature (Biomimesis: Innovación inspirada en la naturaleza ). En el libro, la biomímesis se define como una "nueva ciencia que estudia los modelos de la naturaleza y luego imita o se inspira en estos diseños y procesos para resolver problemas humanos". Benyus sugiere considerar a la naturaleza como un "modelo, medida y mentor" y enfatiza la sostenibilidad como un objetivo de la biomímesis. [ 18 ]
Los posibles impactos a largo plazo de la biomímesis se cuantificaron en un informe del Instituto Fermaniano de Negocios y Economía de 2013, encargado por el Zoológico de San Diego . Los hallazgos demostraron los posibles beneficios económicos y ambientales de la biomímesis, que se pueden observar con mayor detalle en el enfoque "managemANT" de Johannes-Paul Fladerer y Ernst Kurzmann. [ 19 ] Este término (una combinación de las palabras "management" y "ant") describe el uso de estrategias de comportamiento de las hormigas en estrategias económicas y de gestión. [ 20 ] [ 21 ]
Tecnologías bioinspiradas
La biomimética podría aplicarse, en principio, en muchos campos. Debido a la diversidad y complejidad de los sistemas biológicos, el número de características que podrían imitarse es grande. Las aplicaciones biomiméticas se encuentran en diversas etapas de desarrollo, desde tecnologías que podrían llegar a ser comercialmente utilizables hasta prototipos. [ 4 ] La ley de Murray , que en su forma convencional determinaba el diámetro óptimo de los vasos sanguíneos, se ha reformulado para proporcionar ecuaciones sencillas para el diámetro de tuberías o tubos que dan como resultado un sistema de ingeniería de masa mínima. [ 22 ]
Locomoción
El diseño de las alas de los aviones [ 23 ] y las técnicas de vuelo [ 24 ] se inspiran en las aves y los murciélagos. La aerodinámica del diseño aerodinámico del tren de alta velocidad japonés Shinkansen Serie 500 mejorado se modeló a partir del pico del martín pescador . [ 25 ]
Los biorobots basados en la fisiología y los métodos de locomoción de los animales incluyen BionicKangaroo , que se mueve como un canguro, ahorrando energía de un salto y transfiriéndola al siguiente; [ 26 ] Kamigami Robots , un juguete para niños, imita la locomoción de las cucarachas para correr de forma rápida y eficiente sobre superficies interiores y exteriores, [ 27 ] y Pleobot, un robot inspirado en los camarones para estudiar la natación metacrónica y los impactos ecológicos de esta marcha propulsora en el medio ambiente. [ 28 ]
Robots voladores biomiméticos (BFR)

Los BFR se inspiran en mamíferos, aves o insectos voladores. Los BFR pueden tener alas batientes, que generan sustentación y empuje, o pueden ser accionados por hélice. Los BFR con alas batientes tienen mayor eficiencia de carrera, mayor maniobrabilidad y menor consumo de energía en comparación con los BFR accionados por hélice. [ 29 ] Los BFR inspirados en mamíferos y aves comparten características de vuelo y consideraciones de diseño similares. Por ejemplo, ambos tipos de BFR minimizan el aleteo del borde y la curvatura de la punta del ala inducida por la presión al aumentar la rigidez del borde y las puntas del ala. Los BFR inspirados en mamíferos e insectos pueden ser resistentes a los impactos, lo que los hace útiles en entornos desordenados.
Los BFR inspirados en mamíferos suelen inspirarse en los murciélagos, pero la ardilla voladora también ha inspirado un prototipo. [ 30 ] Ejemplos de BFR inspirados en murciélagos incluyen Bat Bot [ 31 ] y DALER. [ 32 ] Los BFR inspirados en mamíferos pueden diseñarse para ser multimodales; por lo tanto, son capaces tanto de volar como de moverse por tierra. Para reducir el impacto del aterrizaje, se pueden implementar amortiguadores a lo largo de las alas. [ 32 ] Alternativamente, el BFR puede inclinarse hacia arriba y aumentar la cantidad de resistencia que experimenta. [ 30 ] Al aumentar la fuerza de resistencia, el BFR desacelerará y minimizará el impacto al tocar tierra. También se pueden implementar diferentes patrones de marcha terrestre. [ 30 ]

Los BFR inspirados en aves pueden inspirarse en rapaces, gaviotas y otras aves. Los BFR inspirados en aves pueden tener alas para aumentar el rango de ángulo de ataque sobre el cual el prototipo puede operar antes de entrar en pérdida. [ 33 ] Las alas de los BFR inspirados en aves permiten la deformación en el plano, y esta deformación puede ajustarse para maximizar la eficiencia de vuelo según la marcha. [ 33 ] Un ejemplo de un BFR inspirado en rapaces es el prototipo de Savastano et al. [ 34 ] El prototipo tiene alas batientes totalmente deformables y es capaz de transportar una carga útil de hasta 0,8 kg mientras realiza un ascenso parabólico, un descenso pronunciado y una recuperación rápida. El prototipo inspirado en gaviotas de Grant et al. imita con precisión la rotación del codo y la muñeca de las gaviotas, y descubrieron que la generación de sustentación se maximiza cuando las deformaciones del codo y la muñeca son opuestas pero iguales. [ 35 ]
Los BFR inspirados en insectos suelen inspirarse en escarabajos o libélulas. Un ejemplo de BFR inspirado en escarabajos es el prototipo de Phan y Park, [ 36 ] y un BFR inspirado en libélulas es el prototipo de Hu et al. [ 37 ] La frecuencia de aleteo de los BFR inspirados en insectos es mucho mayor que la de otros BFR; esto se debe a la aerodinámica del vuelo de los insectos . [ 38 ] Los BFR inspirados en insectos son mucho más pequeños que los inspirados en mamíferos o aves, por lo que son más adecuados para entornos densos. El prototipo de Phan y Park se inspiró en el escarabajo rinoceronte, por lo que puede continuar volando con éxito incluso después de una colisión deformando sus alas posteriores.
Arquitectura biomimética
Los seres vivos se han adaptado a un entorno en constante cambio durante la evolución mediante mutación, recombinación y selección. [ 39 ] La idea central de la filosofía biomimética es que los habitantes de la naturaleza, incluidos animales, plantas y microbios, tienen la mayor experiencia en la resolución de problemas y ya han encontrado las formas más apropiadas de sobrevivir en el planeta Tierra. [ 40 ] De manera similar, la arquitectura biomimética busca soluciones para la sostenibilidad de los edificios presentes en la naturaleza. Si bien la naturaleza sirve de modelo, existen pocos ejemplos de arquitectura biomimética que aspiren a ser positiva para la naturaleza. [ 41 ]
El siglo XXI ha sido testigo de un derroche generalizado de energía debido a diseños de edificios ineficientes, además del uso excesivo de energía durante la fase operativa de su ciclo de vida. [ 42 ] Paralelamente, los avances recientes en técnicas de fabricación, imágenes computacionales y herramientas de simulación han abierto nuevas posibilidades para imitar la naturaleza en diferentes escalas arquitectónicas. [ 39 ] Como resultado, ha habido un rápido crecimiento en el desarrollo de enfoques y soluciones de diseño innovadores para contrarrestar los problemas energéticos. La arquitectura biomimética es uno de estos enfoques multidisciplinarios para el diseño sostenible que sigue un conjunto de principios en lugar de códigos estilísticos, yendo más allá de usar la naturaleza como inspiración para los componentes estéticos de la forma construida, sino que busca usar la naturaleza para resolver problemas de funcionamiento del edificio y ahorrar energía.
Características
El término arquitectura biomimética se refiere al estudio y la aplicación de principios constructivos presentes en entornos y especies naturales, que se traducen en el diseño de soluciones sostenibles para la arquitectura. [ 39 ] La arquitectura biomimética utiliza la naturaleza como modelo, medida y mentora para proporcionar soluciones arquitectónicas a diferentes escalas, inspiradas en organismos naturales que han resuelto problemas similares en la naturaleza. Utilizar la naturaleza como medida implica emplear un estándar ecológico para evaluar la sostenibilidad y la eficiencia de las innovaciones humanas, mientras que el término mentor se refiere a aprender de los principios naturales y utilizar la biología como fuente de inspiración. [ 18 ]
Por otro lado, la arquitectura biomórfica, también conocida como biodecoración, [ 39 ] se refiere al uso de elementos formales y geométricos presentes en la naturaleza como fuente de inspiración para la estética en la arquitectura diseñada, sin que necesariamente tengan funciones no físicas o económicas. Un ejemplo histórico de arquitectura biomórfica se remonta a las culturas egipcia, griega y romana, que utilizaban formas de árboles y plantas en la ornamentación de columnas estructurales. [ 43 ]
Procedimientos
Dentro de la arquitectura biomimética, se pueden identificar dos procedimientos básicos: el enfoque ascendente (impulso biológico) y el enfoque descendente (impulso tecnológico). [ 44 ] La frontera entre ambos enfoques es difusa, existiendo la posibilidad de transición entre ellos según cada caso particular. La arquitectura biomimética se suele llevar a cabo en equipos interdisciplinarios donde biólogos y otros científicos naturales colaboran con ingenieros, científicos de materiales, arquitectos, diseñadores, matemáticos e informáticos.
En el enfoque ascendente, el punto de partida es un nuevo resultado de la investigación biológica básica que promete una implementación biomimética. Por ejemplo, el desarrollo de un sistema de material biomimético tras el análisis cuantitativo de las propiedades mecánicas, físicas y químicas de un sistema biológico.
En el enfoque descendente, se buscan innovaciones biomiméticas para desarrollos ya existentes que se han consolidado con éxito en el mercado. La cooperación se centra en la mejora o el desarrollo de un producto existente.
Ejemplos
Los investigadores estudiaron la capacidad de las termitas para mantener una temperatura y humedad prácticamente constantes en sus termiteros en África, a pesar de las temperaturas exteriores que varían de 1,5 a 40 °C (34,7 a 104,0 °F) . Inicialmente, los investigadores escanearon un termitero y crearon imágenes en 3D de su estructura, lo que reveló una construcción que podría influir en el diseño de edificios humanos . El Eastgate Centre , un complejo de oficinas de mediana altura en Harare , Zimbabue , [ 45 ] se mantiene fresco gracias a una arquitectura de refrigeración pasiva que utiliza solo el 10 % de la energía de un edificio convencional del mismo tamaño.

Investigadores de la Universidad Sapienza de Roma se inspiraron en la ventilación natural de los termiteros y diseñaron una doble fachada que reduce significativamente las áreas iluminadas en un edificio. Los científicos imitaron la naturaleza porosa de las paredes de los termiteros diseñando una fachada con paneles dobles que logró reducir la ganancia de calor por radiación y aumentar la pérdida de calor por convección en la cavidad entre los dos paneles. La carga total de refrigeración en el consumo energético del edificio se redujo en un 15 %. [ 46 ]
Se tomó una inspiración similar de las paredes porosas de los termiteros para diseñar una fachada ventilada naturalmente con una pequeña abertura de ventilación. Este diseño de fachada permite el flujo de aire debido al efecto Venturi y hace circular continuamente el aire ascendente en la abertura de ventilación. Se observó una transferencia significativa de calor entre la superficie de la pared exterior del edificio y el aire que fluye sobre ella. [ 47 ] El diseño se combina con la vegetación de la fachada. La pared vegetal facilita una refrigeración natural adicional mediante la evaporación, la respiración y la transpiración de las plantas. El sustrato húmedo de las plantas refuerza aún más el efecto de refrigeración. [ 48 ]

Científicos de la Universidad de Shanghái lograron replicar la compleja microestructura de la red de conductos de arcilla en el montículo para imitar el excelente control de la humedad en los mismos. Propusieron un material poroso de control de la humedad (HCM) utilizando sepiolita y cloruro de calcio con un contenido de adsorción-desorción de vapor de agua de 550 gramos por metro cuadrado. El cloruro de calcio es un desecante y mejora la propiedad de adsorción-desorción de vapor de agua del Bio-HCM. El Bio-HCM propuesto tiene un régimen de mesoporos interfibra que actúa como un mini depósito. La resistencia a la flexión del material propuesto se estimó en 10,3 MPa mediante simulaciones computacionales. [ 49 ] [ 50 ]
En ingeniería estructural, el Instituto Federal Suizo de Tecnología ( EPFL ) ha incorporado características biomiméticas en un puente desplegable adaptativo de "tensegridad". El puente puede realizar autodiagnóstico y autorreparación. [ 51 ] La disposición de las hojas en una planta se ha adaptado para una mejor captación de energía solar. [ 52 ]
El análisis de la deformación elástica que se produce cuando un polinizador se posa sobre la parte en forma de vaina de la flor Strelitzia reginae (conocida como ave del paraíso ) ha inspirado a arquitectos y científicos de la Universidad de Friburgo y la Universidad de Stuttgart a crear sistemas de sombreado sin bisagras que pueden reaccionar a su entorno. Estos productos bioinspirados se comercializan bajo el nombre de Flectofin. [ 53 ] [ 54 ]
Otros sistemas bioinspirados sin bisagras incluyen Flectofold. [ 55 ] Flectofold se ha inspirado en el sistema de captura desarrollado por la planta carnívora Aldrovanda vesiculosa .
Materiales estructurales
Existe una gran necesidad de nuevos materiales estructurales que sean ligeros pero que ofrezcan combinaciones excepcionales de rigidez , resistencia y tenacidad .
Dichos materiales tendrían que fabricarse en grandes cantidades con formas complejas a bajo costo y servirían para diversos campos como la construcción, el transporte, el almacenamiento y la conversión de energía. [ 56 ] En un problema de diseño clásico, la resistencia y la tenacidad tienden a ser mutuamente excluyentes, es decir, los materiales resistentes son frágiles y los materiales tenaces son débiles. Sin embargo, los materiales naturales con gradientes de materiales complejos y jerárquicos que abarcan desde la nanoescala hasta la macroescala son a la vez resistentes y tenaces. Generalmente, la mayoría de los materiales naturales utilizan componentes químicos limitados, pero arquitecturas de materiales complejas que dan lugar a propiedades mecánicas excepcionales. Comprender los materiales biológicos altamente diversos y multifuncionales y descubrir enfoques para replicar dichas estructuras conducirá a tecnologías más avanzadas y eficientes. El hueso , el nácar (concha de abulón), los dientes, las mazas de los camarones estomatópodos y el bambú son excelentes ejemplos de materiales tolerantes al daño. [ 57 ] La excepcional resistencia a la fractura del hueso se debe a complejos mecanismos de deformación y endurecimiento que operan en diferentes escalas de tamaño , desde la nanoestructura de las moléculas de proteína hasta la escala fisiológica macroscópica. [ 58 ]
El nácar presenta propiedades mecánicas similares, aunque con una estructura bastante más simple. El nácar muestra una estructura tipo ladrillo y mortero con una gruesa capa mineral (0,2–0,9 μm) de estructuras de aragonita densamente empaquetadas y una delgada matriz orgánica (~20 nm). [ 59 ] Si bien ya se producen películas delgadas y muestras de tamaño micrométrico que imitan estas estructuras, aún no se ha logrado la producción exitosa de materiales estructurales biomiméticos a granel. Sin embargo, se han propuesto numerosas técnicas de procesamiento para producir materiales similares al nácar. [ 57 ] Las células pavimento , células epidérmicas en la superficie de las hojas y pétalos de las plantas, a menudo forman patrones ondulados entrelazados que se asemejan a piezas de rompecabezas y se ha demostrado que mejoran la tenacidad a la fractura de las hojas, clave para la supervivencia de la planta. [ 60 ] Su patrón, replicado en muestras de poli(metacrilato de metilo) grabadas con láser , también demostró conducir a una mayor tenacidad a la fractura. Se sugiere que la disposición y el patrón de las células juegan un papel en el control de la propagación de grietas en los tejidos. [ 60 ]
La mineralización biomórfica es una técnica que produce materiales con morfologías y estructuras similares a las de los organismos vivos naturales, utilizando bioestructuras como plantillas para la mineralización. En comparación con otros métodos de producción de materiales, la mineralización biomórfica es sencilla, respetuosa con el medio ambiente y económica. [ 61 ]
La fundición por congelación (moldeo con hielo), un método económico para imitar estructuras naturales en capas, fue empleada por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley para crear compuestos en capas de alúmina-Al-Si y HAP-epoxi IT que igualan las propiedades mecánicas del hueso con un contenido mineral/orgánico equivalente. [ 62 ] Varios estudios posteriores [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] también emplearon métodos similares para producir compuestos de alta resistencia y alta tenacidad que involucran una variedad de fases constituyentes.
Estudios recientes demostraron la producción de estructuras de tejido macroscópicas cohesivas y autoportantes que imitan tejidos vivos mediante la impresión de decenas de miles de gotas heterólogas de picolitros en geometrías 3D a escala milimétrica definidas por software. [ 67 ] También se están realizando esfuerzos para imitar el diseño del nácar en materiales compuestos artificiales utilizando modelado por deposición fundida [ 68 ] y las estructuras helicoidales de las mazas de los estomatópodos en la fabricación de compuestos de fibra de carbono -epoxi de alto rendimiento. [ 69 ]
Diversas tecnologías de fabricación aditiva, tanto consolidadas como novedosas, como la impresión PolyJet, la escritura directa de tinta, la impresión magnética 3D, la impresión 3D multimaterial asistida magnéticamente y el moldeo por colada asistida magnéticamente , también se han utilizado para imitar las complejas arquitecturas a microescala de los materiales naturales y ofrecen un amplio margen para futuras investigaciones. [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]
La seda de araña es más resistente que el Kevlar utilizado en los chalecos antibalas . [ 73 ] En principio, los ingenieros podrían utilizar dicho material, si se pudiera rediseñar para que tuviera una vida útil suficientemente larga, para líneas de paracaídas, cables de puentes colgantes, ligamentos artificiales para medicina y otros fines. [ 18 ] Los dientes autoafilables de muchos animales se han copiado para fabricar mejores herramientas de corte. [ 74 ]
También se han desarrollado nuevas cerámicas que exhiben una histéresis de electreto gigante. [ 75 ]
Computadoras neuronales
Las computadoras y sensores neuromórficos son dispositivos eléctricos que copian la estructura y función de las neuronas biológicas para realizar cálculos. Un ejemplo de esto es la cámara de eventos, en la que solo los píxeles que reciben una nueva señal se actualizan a un nuevo estado. Los demás píxeles no se actualizan hasta que se recibe una señal. [ 76 ]
materiales autorreparables
En algunos sistemas biológicos, la autocuración ocurre a través de liberaciones químicas en el sitio de la fractura, que inician una respuesta sistémica para transportar agentes reparadores al sitio de la fractura. Esto promueve la curación autónoma. [ 77 ] Para demostrar el uso de redes microvasculares para la curación autónoma, los investigadores desarrollaron una arquitectura de recubrimiento-sustrato microvascular que imita la piel humana. [ 78 ] Se desarrollaron hidrogeles de color estructural autorreparables bioinspirados que mantienen la estabilidad de una estructura de ópalo inverso y sus colores estructurales resultantes. [ 79 ] Se desarrolló una membrana autorreparable inspirada en los procesos rápidos de autosellado en plantas para estructuras inflables ligeras como botes de goma o construcciones Tensairity. Los investigadores aplicaron un recubrimiento delgado de espuma de poliuretano celular suave en el interior de un sustrato de tela, que cierra la grieta si la membrana se perfora con una punta. [ 80 ] Se han producido materiales autorreparables , polímeros y materiales compuestos capaces de reparar grietas basados en materiales biológicos. [ 81 ]
Las propiedades de autorreparación también pueden lograrse mediante la ruptura y reformación de enlaces de hidrógeno al someter el material a una tensión cíclica. [ 82 ]
Superficies
Las superficies que recrean las propiedades de la piel de tiburón están diseñadas para permitir un movimiento más eficiente en el agua. Se han realizado esfuerzos para producir telas que imiten la piel de tiburón. [ 22 ] [ 83 ]
Se están investigando biomiméticos de tensión superficial para tecnologías como recubrimientos hidrofóbicos o hidrofílicos y microactuadores. [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]
Adhesión
Adhesión húmeda
Algunos anfibios, como las ranas arborícolas y de torrente y las salamandras arborícolas , pueden adherirse y moverse sobre ambientes húmedos o incluso inundados sin caerse. Este tipo de organismos tienen almohadillas en los dedos que están permanentemente humedecidas por el moco secretado por glándulas que se abren en los canales entre las células epidérmicas. Se adhieren a las superficies de apareamiento mediante adhesión húmeda y son capaces de trepar por rocas mojadas incluso cuando el agua fluye sobre la superficie. [ 4 ] Las bandas de rodadura de los neumáticos también se han inspirado en las almohadillas de los dedos de las ranas arborícolas . [ 89 ] Se ha observado que los modelos de superficie jerárquica impresos en 3D, inspirados en el diseño de las almohadillas de los dedos de las ranas arborícolas y de torrente, producen una mejor tracción en mojado que el diseño de neumáticos convencional. [ 90 ]
Los mejillones marinos pueden adherirse fácil y eficazmente a superficies bajo el agua en las duras condiciones del océano. Los mejillones utilizan filamentos fuertes para adherirse a las rocas en las zonas intermareales de playas barridas por las olas, evitando que sean arrastrados por las fuertes corrientes marinas. Las proteínas del pie del mejillón unen los filamentos a rocas, barcos y prácticamente cualquier superficie en la naturaleza, incluyendo otros mejillones. Estas proteínas contienen una mezcla de residuos de aminoácidos que ha sido adaptada específicamente para fines adhesivos . Investigadores de la Universidad de California Santa Bárbara tomaron prestadas y simplificaron las químicas que el pie del mejillón utiliza para superar este desafío de ingeniería de adhesión húmeda para crear copolianfólitos, [ 91 ] y sistemas adhesivos de un componente [ 92 ] con potencial para su empleo en protocolos de nanofabricación . Otras investigaciones han propuesto pegamento adhesivo a partir de mejillones .
Adhesión en seco
Las almohadillas de fijación de las patas de varios animales, incluidos muchos insectos (p. ej., escarabajos y moscas ), arañas y lagartos (p. ej., geckos ), son capaces de adherirse a una variedad de superficies y se utilizan para la locomoción, incluso en paredes verticales o a través de techos. Los sistemas de fijación en estos organismos tienen estructuras similares en sus elementos terminales de contacto, conocidos como setas . Estos ejemplos biológicos han servido de inspiración para producir robots trepadores, [ 93 ] [ 94 ] botas y cinta adhesiva. [ 95 ] También se han desarrollado setas sintéticas para la producción de adhesivos secos.
repelencia de líquidos
La superliquifobicidad se refiere a una notable propiedad superficial en la que una superficie sólida exhibe una aversión extrema a los líquidos, lo que provoca que las gotas se adhieran y rueden casi instantáneamente al contacto. Este comportamiento surge de intrincadas texturas superficiales e interacciones a nanoescala, que impiden eficazmente que los líquidos mojen o se adhieran a la superficie. El término "superliquifóbico" deriva de " superhidrofóbico ", que describe superficies altamente resistentes al agua. Las superficies superliquifóbicas van más allá de la repelencia al agua y muestran características repelentes hacia una amplia gama de líquidos, incluidos aquellos con muy baja tensión superficial o que contienen tensioactivos. [ 2 ] [ 96 ]
La superliquifobicidad surge cuando una superficie sólida posee una rugosidad mínima, formando interfaces con gotas mediante humectación y alterando los ángulos de contacto. Este comportamiento depende del factor de rugosidad (R f ), que define la relación entre el área sólido-líquido y su proyección, influyendo en los ángulos de contacto. En superficies rugosas, los líquidos no humectantes dan lugar a interfaces compuestas sólido-líquido-aire, cuyos ángulos de contacto están determinados por la distribución de las áreas húmedas y de las bolsas de aire. El logro de la superliquifobicidad implica aumentar el área geométrica plana fraccional (f LA ) y R f , lo que da lugar a superficies que repelen activamente los líquidos. [ 97 ] [ 98 ]
La inspiración para la creación de dichas superficies proviene del ingenio de la naturaleza, ilustrado por el " efecto loto ". Las hojas de plantas repelentes al agua, como el loto, exhiben estructuras jerárquicas inherentes con formaciones recubiertas de cera a nanoescala. [ 99 ] [ 100 ] Otras superficies naturales con estas capacidades pueden incluir los caparazones de los escarabajos, [ 101 ] y las espinas de los cactus, [ 102 ] que pueden presentar características rugosas en múltiples escalas de tamaño. Estas estructuras dan lugar a la superhidrofobicidad, donde las gotas de agua se posan sobre burbujas de aire atrapadas, lo que resulta en altos ángulos de contacto y una histéresis mínima del ángulo de contacto. Este ejemplo natural guía el desarrollo de superficies superliquifóbicas, aprovechando geometrías reentrantes que pueden repeler líquidos de baja tensión superficial y lograr ángulos de contacto cercanos a cero. [ 103 ]
La creación de superficies superliquifóbicas implica combinar geometrías reentrantes con materiales de baja energía superficial, como sustancias fluoradas o siloconas similares a líquidos. [ 102 ] Estas geometrías incluyen voladizos que se ensanchan bajo la superficie, lo que permite la repelencia incluso para ángulos de contacto mínimos. Estas superficies se utilizan en autolimpieza, antihielo, antivaho, antiincrustante, condensación mejorada, [ 102 ] y más, presentando soluciones innovadoras a desafíos en biomedicina, desalinización, captación de agua atmosférica y conversión de energía.
En esencia, la superliquifobicidad, inspirada en modelos naturales como la hoja de loto, aprovecha las geometrías reentrantes y las propiedades superficiales para crear interfaces que repelen activamente los líquidos. Estas superficies ofrecen un enorme potencial en diversas aplicaciones, prometiendo una mayor funcionalidad y rendimiento en distintos contextos tecnológicos e industriales.
Óptica
Los materiales biomiméticos están ganando cada vez más atención en el campo de la óptica y la fotónica . Aún se conocen pocos productos bioinspirados o biomiméticos que involucren las propiedades fotónicas de plantas o animales. Sin embargo, comprender cómo la naturaleza diseñó dichos materiales ópticos a partir de recursos biológicos es un campo de investigación actual.

Inspiración en frutas y plantas.
Una fuente de inspiración biomimética son las plantas . Se ha demostrado que las plantas son generadoras de conceptos para las siguientes funciones: acoplamiento reactivo, adaptabilidad, autorreparación y autonomía energética. Dado que las plantas no poseen una unidad centralizada de toma de decisiones (es decir, un cerebro), la mayoría cuenta con un sistema autónomo descentralizado en diversos órganos y tejidos. Por lo tanto, reaccionan a múltiples estímulos como la luz, el calor y la humedad. [ 104 ]
Un ejemplo es la especie de planta carnívora Dionaea muscipula (Venus atrapamoscas). Durante los últimos 25 años, se ha investigado el movimiento de esta planta para desarrollar robots artificiales basados en la captura de presas (AVFT). El movimiento durante la captura de presas ha inspirado sistemas de movimiento robótico flexible. El rápido cierre de la trampa (en 100-300 ms ) se inicia cuando la presa activa los pelos de la planta en un tiempo determinado (dos veces en 20 s ). Existen sistemas AVFT en los que el cierre de la trampa se activa mediante magnetismo, electricidad, aire comprimido y cambios de temperatura. [ 104 ]
Otro ejemplo de imitación de plantas es la Pollia condensata , también conocida como baya de mármol. El autoensamblaje quiral de la celulosa inspirado en la baya de Pollia condensata se ha explotado para hacer películas ópticamente activas. [ 105 ] [ 106 ] Dichas películas están hechas de celulosa, que es un recurso biodegradable y de base biológica obtenido de la madera o el algodón. Los colores estructurales pueden ser potencialmente eternos y tener un color más vibrante que los obtenidos por absorción química de la luz. Pollia condensata no es la única fruta que muestra una piel con color estructural; la iridiscencia también se encuentra en las bayas de otras especies como Margaritaria nobilis . [ 107 ] Estas frutas muestran colores iridiscentes en la región azul-verde del espectro visible, lo que le da a la fruta una fuerte apariencia visual metálica y brillante. [ 108 ] Los colores estructurales provienen de la organización de las cadenas de celulosa en el epicarpio de la fruta , una parte de la piel de la fruta. [ 108 ] Cada célula del epicarpio está formada por una envoltura multicapa que se comporta como un reflector de Bragg . Sin embargo, la luz que se refleja en la piel de estos frutos no está polarizada, a diferencia de la que surge de las réplicas artificiales obtenidas mediante el autoensamblaje de nanocristales de celulosa en helicoides, que solo reflejan luz polarizada circularmente a la izquierda . [ 109 ]
El fruto de Elaeocarpus angustifolius también muestra un color estructural que surge de la presencia de células especializadas llamadas iridosomas, las cuales poseen estructuras en capas. [ 108 ] Se han encontrado iridosomas similares en los frutos de Delarbrea michieana . [ 108 ]
En las plantas, las estructuras multicapa se pueden encontrar tanto en la superficie de las hojas (sobre la epidermis), como en Selaginella willdenowii [ 108 ] , como dentro de orgánulos intracelulares especializados , los llamados iridoplastos, que se ubican dentro de las células de la epidermis superior. [ 108 ] Por ejemplo, la planta de la selva tropical Begonia pavonina tiene iridoplastos ubicados dentro de las células epidérmicas. [ 108 ]
También se han encontrado colores estructurales en varias algas, como en el alga roja Chondrus crispus (musgo irlandés). [ 110 ]
Inspiración en los animales

La coloración estructural produce los colores del arcoíris de las burbujas de jabón , las alas de las mariposas y muchas escamas de escarabajos. [ 111 ] [ 112 ] [ 113 ] La separación de fases se ha utilizado para fabricar membranas de dispersión ultrablancas a partir de polimetilmetacrilato , imitando al escarabajo Cyphochilus . [ 114 ] Las luces LED se pueden diseñar para imitar los patrones de las escamas en los abdómenes de las luciérnagas , mejorando su eficiencia. [ 115 ]
Las alas de la mariposa Morpho tienen una coloración estructural que produce un azul vibrante que no varía con el ángulo. [ 116 ] Este efecto puede imitarse mediante diversas tecnologías. [ 117 ] Lotus Cars afirma haber desarrollado una pintura que imita elcolor azul estructural de la mariposa Morpho . [ 118 ] En 2007, Qualcomm comercializó una tecnología de visualización de modulador interferométrico , "Mirasol", que utilizainterferencia óptica similar a la de Morpho . [ 119 ] En 2010, la modista Donna Sgro creó un vestido con Morphotex de Teijin Fibers , un tejido sin teñir tejido con fibras de color estructural, que imita la microestructura de las escamas de las alas de la mariposa Morpho . [ 120 ] [ 121 ] [ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]
El recubrimiento de estructura sublongitudinal de Canon Inc. utiliza estructuras en forma de cuña del tamaño de la longitud de onda de la luz visible. Estas estructuras provocan un índice de refracción que cambia continuamente a medida que la luz viaja a través del recubrimiento, lo que reduce significativamente el destello de la lente . Esto imita la estructura del ojo de una polilla. [ 125 ] Figuras notables como los hermanos Wright y Leonardo da Vinci intentaron replicar el vuelo observado en las aves. [ 126 ] En un esfuerzo por reducir el ruido de las aeronaves, los investigadores han estudiado el borde de ataque de las plumas de los búhos , que tienen una serie de pequeñas aletas o raquis adaptados para dispersar la presión aerodinámica y proporcionar un vuelo casi silencioso al ave. [ 127 ]
Sistemas agrícolas
El pastoreo planificado holístico , que utiliza cercas y/o pastores , busca restaurar los pastizales mediante la planificación cuidadosa de los movimientos de grandes rebaños de ganado para imitar los vastos rebaños que se encuentran en la naturaleza. El sistema natural que se imita y se utiliza como modelo consiste en animales de pastoreo concentrados por depredadores en manada que deben desplazarse después de comer, pisotear y estiércol en un área, y regresar solo cuando esta se ha recuperado por completo. Su fundador, Allan Savory , y algunos otros han afirmado que tiene potencial para mejorar el suelo, [ 128 ] aumentar la biodiversidad y revertir la desertificación . [ 129 ] Sin embargo, muchos investigadores han cuestionado la afirmación de Savory. Los estudios a menudo han encontrado que el método aumenta la desertificación en lugar de reducirla. [ 130 ] [ 131 ]
Geolocalización
La biomimética también puede referirse a recrear cómo los insectos perciben y se orientan. Muchos insectos utilizan los patrones de polarización de la luz del cielo para estimar el norte y geolocalizarse. Se ha demostrado que un proyecto de código abierto simula la medición de patrones de polarización para ayudar en el desarrollo de sistemas de geolocalización que los utilizan. [ 132 ] El proyecto afirma que ofrece posibles alternativas futuras a los sistemas GPS tradicionales como el GNSS , especialmente en áreas remotas, y también podría ayudar a entrenar redes neuronales para reconocer patrones de polarización. [ 132 ]
Otros usos
Algunos sistemas de aire acondicionado utilizan la biomimética en sus ventiladores para aumentar el flujo de aire y reducir el consumo de energía. [ 133 ] [ 134 ]
Tecnólogos como Jas Johl han especulado que la funcionalidad de las células vacuolares podría usarse para diseñar sistemas de seguridad altamente adaptables. [ 135 ] "La funcionalidad de una vacuola, una estructura biológica que protege y promueve el crecimiento, ilumina el valor de la adaptabilidad como principio rector para la seguridad". Las funciones y la importancia de las vacuolas son de naturaleza fractal; el orgánulo no tiene una forma o tamaño básicos; su estructura varía según los requisitos de la célula. Las vacuolas no solo aíslan las amenazas, contienen lo necesario, exportan desechos y mantienen la presión, sino que también ayudan a la célula a escalar y crecer. Johl argumenta que estas funciones son necesarias para cualquier diseño de sistema de seguridad. [ 135 ] El Shinkansen Serie 500 utilizó la biomímesis para reducir el consumo de energía y los niveles de ruido, al tiempo que aumentaba la comodidad de los pasajeros. [ 136 ] Con respecto a los viajes espaciales, la NASA y otras empresas han buscado desarrollar drones espaciales tipo enjambre inspirados en los patrones de comportamiento de las abejas, y drones terrestres oxtápodos diseñados con referencia a las arañas del desierto. [ 137 ]
Otras tecnologías
El plegamiento de proteínas se ha utilizado para controlar la formación de materiales para nanoestructuras funcionales autoensambladas . [ 138 ] El pelaje del oso polar ha inspirado el diseño de colectores térmicos y prendas de vestir. [ 139 ] Se han estudiado las propiedades de refracción de la luz del ojo de la polilla para reducir la reflectividad de los paneles solares. [ 140 ]

El potente repelente del escarabajo bombardero inspiró a una empresa sueca a desarrollar una tecnología de pulverización de "microneblina", que, según afirman, tiene un bajo impacto de carbono (en comparación con los aerosoles). El escarabajo mezcla sustancias químicas y libera su rocío a través de una boquilla orientable en el extremo de su abdomen, picando y desorientando a la víctima. [ 141 ]
La mayoría de los virus tienen una cápsula externa de 20 a 300 nm de diámetro. Las cápsulas virales son notablemente robustas y capaces de soportar temperaturas de hasta 60 °C; son estables en el rango de pH de 2 a 10. [ 61 ] Las cápsulas virales se pueden utilizar para crear componentes de nanodispositivos como nanocables, nanotubos y puntos cuánticos. Las partículas virales tubulares, como el virus del mosaico del tabaco (TMV), se pueden utilizar como plantillas para crear nanofibras y nanotubos, ya que tanto las capas internas como externas del virus son superficies cargadas que pueden inducir la nucleación del crecimiento cristalino. Esto se demostró mediante la producción de nanotubos de platino y oro utilizando TMV como plantilla. [ 142 ] Se ha demostrado que las partículas virales mineralizadas soportan varios valores de pH al mineralizar los virus con diferentes materiales como silicio, PbS y CdS y, por lo tanto, podrían servir como portadores útiles de material. [ 143 ] Un virus vegetal esférico llamado virus del moteado clorótico del caupí (CCMV) tiene interesantes propiedades de expansión cuando se expone a entornos con un pH superior a 6,5. Por encima de este pH, 60 poros independientes con diámetros de aproximadamente 2 nm comienzan a intercambiar sustancias con el entorno. La transición estructural de la cápside viral puede utilizarse en la mineralización biomórfica para la captación y deposición selectiva de minerales controlando el pH de la solución. Las posibles aplicaciones incluyen el uso de la jaula viral para producir nanopartículas semiconductoras de puntos cuánticos de forma y tamaño uniformes a través de una serie de lavados de pH. Esta es una alternativa a la técnica de jaula de apoferritina que se utiliza actualmente para sintetizar nanopartículas uniformes de CdSe. [ 144 ] Dichos materiales también podrían utilizarse para la administración dirigida de fármacos, ya que las partículas liberan su contenido al exponerse a niveles de pH específicos.
Modelo regenerativo de mimetismo múltiple (MRM)
En 2025, los investigadores Yassir Turki y Kilzar Arian propusieron el *Modelo Regenerativo Multimímico (MRM)* como un marco ampliado inspirado en la biomímesis. El modelo integra seis dominios interrelacionados —biomímesis, quimiomímesis, fisicomimética, geomímesis, cosmomimesis y semiomimesis— para describir cómo operan los procesos regenerativos en sistemas biológicos, químicos, físicos, geológicos, cosmológicos y semióticos. El MRM busca proporcionar un enfoque científico y de diseño unificado para la innovación regenerativa. [ 145 ]
Véase también
Referencias
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Lecturas adicionales
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- Passino, Kevin M. (2004). Biomímesis para la optimización, el control y la automatización. Springer.
- Pyper, W. (2006). Emulando la naturaleza: El auge de la ecología industrial . Ecos, (129), 22–26.
- Smith, J. (2007). Es lo más natural . The Ecologist, 37(8), 52–55.
- Thompson, D'Arcy W. , Sobre el crecimiento y la forma . Reimpresión de Dover de 1992 de la 2.ª ed. de 1942 (1.ª ed., 1917).
- Vogel, S. (2000). Patas de gato y catapultas: mundos mecánicos de la naturaleza y las personas . Norton.
Enlaces externos
- Biomimética MIT
- Sexo, velcro y biomímesis con Janine Benyus
- Janine Benyus: Biomímesis en acción (TED 2009)
- Diseño de la naturaleza - National Geographic
- Michael Pawlyn: El uso del ingenio de la naturaleza en la arquitectura (TED 2010)
- Robert Full muestra cómo los ingenieros humanos pueden aprender de los trucos de los animales (TED 2002).
- El desenfunde rápido: Biomímesis de CBS News
- biología evolutiva
- Biotecnología
- Biomimética
- Bioinformática
- Ingeniería biológica
- Biofísica
- Ecología industrial
- Biónica
- conservación del agua
- energía renovable
- Transporte sostenible
- Diseño