Biónica y biomímesis en el diseño de productos: Modelos de aplicación

Por Byron Iram Villamil Villar y Viviana Otálvaro Guzmán

Observar la naturaleza y aprender de ella es una cualidad humana, pero lo que realmente importa es identificar cómo hace para permanecer armónica, bella, funcional, práctica, eficiente y adaptable. Todo el conocimiento que así se cosigue es fundamental para el ejercicio proyectual de la forma, porque al observar esta relación armónica de la forma, la función y el material en la naturaleza, encontramos cómo resolver nuestros problemas técnicos y constructivos. Las notas y modelos que aquí se exponen intentan contribuir a reencontrar la armonía del ser humano con el entorno natural, con la tierra y su naturaleza. Son algunas ideas llevadas a la práctica por y con nuestros estudiantes, gracias al interés de aprender y conocer cómo hacer mejor el trabajo de diseño sin afectar negativamente la biosfera. Dos modelos operativos parciales, porque con seguridad podrían ser más completos, e imparciales, porque los puede usar quien quiera y como quiera, pero que buscan introducir siempre consideraciones sobre ¿cómo lo haría la naturaleza?, ¿cómo lo ha resuelto en el pasado?, ¿qué alternativas ha generado? y ¿qué logros ha obtenido? Tal vez sea prematuro exponerlos, pero es necesario atreverse para que otros se sumen y mejoren las propuestas, que los apliquen y expliquen mejor, que los cambien y desarrollen, y que crezcan como un nuevo modo de hacer diseño.

• Idioma: Español
• Editorial: Universidad del Valle
• Fecha de lanzamiento: 4 mar 2024
• ISBN: 9786287683808

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CAPÍTULO 1

DE LA BIÓNICA Y LA BIOMÍMESIS Y SUS DIVERSAS VISIONES

BIÓNICA

La denominación biónica fue introducida por el doctor coronel Jack E. Steele (1924-2009) en el año de 1958 y tomó relevancia en el año de 1960, cuando la United Air Force de los Estados Unidos de América desarrollaba una investigación comparativa entre los sistemas naturales y los sistemas sintéticos, que llegó a presentarse en público el 13 de septiembre de ese mismo año, en Dayton (Ohio), en el Simposio Nacional Americano: Los prototipos vivos, llave hacia una nueva técnica (Litinetski, 1975, p. 24).

El trabajo de investigación del coronel Steele se centró en el estudio de los organismos biológicos para encontrar soluciones a problemas de ingeniería.

La biónica es considerada como una ciencia nueva de raíces viejas, puesto que hay evidencias en los procesos evolutivos que comenzaron millones de años atrás. Se le considera como ciencia por su naturaleza interdisciplinar, presentando aspectos relacionados con la física, la biología, la química, la ingeniería, la psicología, la informática, la mecánica, etc. (Marroquín, 2000, p. 1).

La etimología del término biónica ubica esta disciplina dentro del plano del saber, dado que el sufijo icos corresponde a ‘estudio’ y el elemento compositivo prefijo que lo acompaña, bio, indica tanto la relación con la vida o con los seres vivos como con la intervención o utilización de agentes exclusivamente naturales. Esta etimología no determina el alcance o los objetivos de dicho estudio, sin embargo, se ha adoptado en diferentes ámbitos y se ha aceptado la idea de aplicar este conocimiento a las realizaciones humanas.

Diferentes autores han precisado la definición de la biónica, intentando aclarar sus alcances y ampliar su campo de acción, algunos desde un extremo la ven como el estudio de las posibilidades técnicas y mecánicas de reproducir estructuras y mecanismos naturales por medio de artefactos, y del otro extremo están quienes la ven como el estudio de los entes naturales para aprovechar sus principios y aplicarlos a las creaciones humanas. Sin embargo, es clara la relación que se establece entre los principios, fenómenos de la naturaleza y las posibilidades técnicas de reproducción y aprovechamiento que su conocimiento permite.

Con el surgimiento de la biónica se desarrolló una nueva disciplina para la observación de los sistemas naturales y así aplicarlos en la resolución de problemas comunes. El diseñador industrial Ignacio Urbina Polo plantea que la Biónica advierte un dominio rico a problemas que afronta el hombre moderno: estructura, locomoción, coordinación, emisión, transmisión, recepción de información y otros. (Urbina, 1997, p. 1).

Formalmente se le dio el nombre a partir de los años sesenta, pero las investigaciones en biónica vienen desde muchos años atrás, Demócrito (460 a. C.-370 a. C) señalaba: copiando a los animales aprendemos las cosas más importantes (Litinetski, 1975, p. 16).

Los estudios de uno de los genios más sobresaliente de todos los tiempos: Leonardo da Vinci (1452-1519), evidencian que se inspiró en diversos mecanismos y formas que brinda la naturaleza, como insectos, plantas, semillas, aves, etc., con el fin de lograr desarrollar máquinas jamás imaginadas para aquella época y durante varios siglos después, como el ornitóptero, un aparato volador con alas batientes realizado a partir del estudio anatómico de los pájaros y de los murciélagos. También adelantó estudios para la adaptación de sistemas biológicos aplicados a la ingeniería, al diseño de barcos y aviones.

Victor Papanek, en Diseño para el mundo real: Ecología humana y cambio social, propone estudiar los principios básicos en la naturaleza y generar aplicaciones de principios y procesos para las necesidades de la humanidad, señalando el significado de la biónica como el uso de prototipos biológicos para el diseño de sistemas sintéticos hechos por el hombre (Papanek, 1977, p. 190).

En su libro Iniciación a la biónica, publicado en 1975, Litinetski determina que la biónica es el estudio de los sistemas, estructuras de animales vivos y plantas, y la aplicación de esos principios a dispositivos, máquinas, así como a sistemas artificiales para el beneficio de los humanos, el autor presenta una definición enfocada a la aplicabilidad, pero enfatizada en la función del bienestar del ser humano, parece que deja de lado el estudio del ser humano como tal, ya que para la medicina es el objeto de estudio.

Figura 1. Ornitóptero (ca. 1490) de Leonardo Da Vinci

En diseño industrial la biónica está más enfocada hacia la creación de objetos; a partir de la observación de los sistemas naturales, Litinetski refiere las creaciones humanas como creaciones ya existentes en la naturaleza desde hace miles de años, lo que llama patentes biológicas (Litinetski, 1975, p. 13).

Tabla 1. Patente humana vs. patente biológica

Fuente: Litinetski (1975, p. 13).

Con esto da a entender que la naturaleza no solo está bellamente construida, sino también idealmente calculada (Litinetski, 1975, pp. 21-22), es la unión de la armonía de la belleza con la armonía racional.

Bruno Munari, como diseñador y teórico del diseño, presenta una definición que aborda de manera holística los elementos desde diferentes enfoques: teórico, analítico y productivo, en un discurso hacia el diseño desde la biónica, en el cual manifiesta que la transferencia de energía se realiza dentro de un sistema conectado a otros y no independiente: la biónica estudia los sistemas vivientes y tiende a descubrir procesos, técnicas y nuevos principios aplicables a la tecnología. Examina los principios, características y sistemas con transformación de materia, extensión de mandos, con transferencia de energía e información (Munari, 1983, p. 86).

El diseñador industrial Gui Bonsiepe, uno de los más importantes e influyentes teóricos e investigadores en América Latina, con la idea de diseño proyectual¹ y el diseño de información, define a la biónica como

el estudio de sistemas vivientes para aplicar a las tecnologías sus principios técnicos y procedimientos. Es particularmente apta para la capacidad de captar los detalles tridimensionales y los principios formales que los estructuran, así como para incrementar la capacidad de transformación, es decir, cuando se examina y analiza un objeto análogo. (Bonsiepe, 1975, p. 132)

Por otra parte, el activo ambientalista Rhett Butler (2008) entiende la biónica como una aplicación de los métodos y sistemas naturales a la ingeniería y la tecnología. El autor, como biólogo, presenta una definición directamente aplicativa, aunque no tiene en cuenta la disciplina del diseño; este señala: nos abre los ojos al modelo natural y nos propone fijarnos en los trucos, estrategias y soluciones que utiliza la naturaleza […] La premisa del diseño natural es el ahorro y su atención a la optimización de los recursos (Butler, 2008, p. 3).

Para Dennis Dollens la biónica tiene como objetivo el estudio de las estructuras y de los procesos en los fenómenos biológicos con el fin de aprovechar los conocimientos que se consigan para perfeccionar los aparatos, instalaciones y máquinas existentes; también para crear nuevas y más eficaces (Dollens, 2010, p. 3); es claro que Dollens entiende que la forma de crear el mundo artificial del hombre está incompleta, motivo por el cual es necesario hacer una revisión del mundo natural para abstraer aquello que le hace falta para complementar este mundo material construido por el hombre.

BIOMIMÉTICA

El término se establece etimológicamente como bio, significando ‘vida’ y ‘mimesis’, definida como la imitación, la conciencia de imitar el genio de la naturaleza (Baumeister, 2012).

El término biomimética se enuncia a partir de los estudios del ingeniero Otto Schmitt en 1957 (Bhushan, 2009) con sus estudios de los impulsos eléctricos de los nervios y su aplicación para disminuir el ruido de las señales en los dispositivos electrónicos. Usó el término en un artículo en el año 1969, pero el término apareció en el diccionario Webster’s en 1974, definido como:

El estudio de la formación, la estructura, o función de las sustancias y materiales producidos por la biología (como enzimas o seda) y mecanismos biológicos y procesos (como síntesis de proteínas o la fotosíntesis) especialmente para el propósito de sintetizar productos similares mediante mecanismos artificiales que imitan los naturales. (Vincent, Bogatyreva, Bogatyrev, Bowyer y Pahl, 2006)

Figura 2. Relación de publicaciones en la base de datos SCOPUS por año respecto al término biomimética

Se registran 19 630 resultados desde el año 1988. Es evidente el cambio de frecuencia del uso del término respecto a la biónica si se analizan ambos términos.

Fuente: datos de publicaciones de Scopus.

Desde el surgimiento del Biomimicry Institute en el año 2006, el término biomimética tomó una fuerza mayor a nivel global. A partir del 2004 se comienza un alza en la publicación de resultados de investigación asociados con las disciplinas afines a la ingeniería, ciencias de los materiales, bioquímica y genética física, medicina, entre otras.

Una de las revistas más completas en biomimética se titula Bioinspiration & Biomimetics, publicada desde el 2006. El número de publicaciones descritas en las bases de datos aumenta significativamente desde el año 2000, cuando se registra un número cercano a 400 artículos publicados, pasando a 4200 artículos en el año 2015, según se puede constatar consultando las bases de datos de Science Direct. El investigador Masatsugu Shimomura, de la Universidad de Tohoku, en Tokyo, construye un gráfico donde muestra la historia de diferentes desarrollos biomiméticos relacionados con el tamaño y el año de las invenciones (Shimomura, 2010).

Figura 3. Resultados de la búsqueda del término biónica

Desde el año 1951, cuando se registran las primeras publicaciones, hasta el 2016, con un total de 6280 resultados en áreas como la ingeniería, las ciencias computacionales, la medicina, las matemáticas y las ciencias de los materiales.

Fuente: datos de publicaciones de Scopus.

El Biomimicry Institute (Instituto de Biomimética) define la biomimética como Un método innovador que busca soluciones sostenibles emulando los patrones y estrategias de la naturaleza […] Biomimética es aprender de la naturaleza y emular la forma, los procesos y los ecosistemas naturales para realizar diseños más sostenibles (Baumeister, 2012), estos tres elementos los diferencian como niveles, emular la forma de la especie natural, el proceso como la manera en que está hecho y el ecosistema como la relación de las especies o los organismos en un mismo contexto. Establecen casi una filosofía donde definen tres áreas determinadas por el estudio natural, el reconectar a las personas con la naturaleza (re conect), generar una ética en torno a la importancia de la sostenibilidad en el desarrollo de sistemas (ethos) y crear soluciones emulando sus principios (create), así formulan uno de sus fundamentos: no extraer elementos de la naturaleza, sino aprender de ella.

Para Janine Benyus el biomimetismo (bios ‘vida’ y mimesis ‘imitar’) presenta como los estudios y las aplicaciones son transferencias directas del contexto natural a una aplicación determinada, de esta forma lo que se pretende es generar mecanismos artificiales que emulan exactamente los elementos o comportamientos de los seres naturales, es una disciplina del diseño que busca soluciones sostenibles mediante la emulación de los patrones y las estrategias probados por el tiempo en la naturaleza (Benyus, 2012, p. 2).

Figura 4. Recuento histórico de la investigación en biomimética

Gráfico preparado por el STFC. Datos de Science Direct 5688. Biomimetics: 25 587. Bio inspiración: 4705.

Fuente: Shimomura (2010).

Benyus tiene en cuenta la utilización de los recursos de manera sustentable, optimizándolos al máximo, sin generar desperdicios, este principio además se convierte en un concepto fundamental para la productividad en cualquier entorno empresarial. Ha evidenciado el alto valor que tiene la naturaleza para ofrecer sus enseñanzas y cambiar paradigmas en cuanto a materiales, diseño y producción; siempre es arduo el intentar cambiar el paradigma que tienen los ejecutivos que manejan las industrias en función de la rentabilidad, sin embargo, al enseñarles con datos estadísticos, por ejemplo, lo relacionado con los costos de desperdicio de material, pasan a reconsiderar sus concepciones y se piensa en nuevas posibilidades y se generan otras alternativas, este es el objetivo del Instituto de Biomimética.

Yoseph Bar-Cohen, en su libro Biomimetics: Biologically inspired technologies, lo define como el estudio de los métodos, diseños y procesos de la naturaleza, que posteriormente pueden ser imitados o algunas configuraciones adaptadas, en este sentido, enuncia la capacidad de la naturaleza para servir como ente de inspiración para las capacidades y la mejora de la vida humana; dicha imitación o adaptación no solo posibilita entender sus principios, sino también asociar sus mecanismos y capacidades en orden de incrementar la eficiencia de los artefactos. Bar-Cohen (2005) enuncia la capacidad natural de los humanos para realizar abstracciones naturales desde lo micro hasta lo macro en ciencias como la ingeniería, los materiales y la química.

Respecto a las aplicaciones en nuevos materiales, la biomimética hace énfasis en la revelación del conocimiento sobre las estructuras biológicas, reuniendo áreas como la física, la química y la ingeniería. Cada área del conocimiento determinará cuáles aspectos son más o menos relevantes para sus estudios: las estructuras jerárquicas, la estructura superficial, etc. En esta área en específico, se hace hincapié en la relevancia de la fácil renovación de la materia y su organización química con increíbles resultados en sus propiedades mecánicas, ópticas o magnéticas (Paris y Burgert, 2010). Además, los materiales naturales poseen propiedades de autoensamblaje, de alta resistencia con poco peso, de poco tiempo de degradación; toda esta cantidad de funciones específicas que puede desarrollar un material natural a partir de su estructura son elementos muy atractivos para su estudio, así pues, complementa esta área de estudio la definición de las múltiples opciones que a nivel molecular la biomimética puede generar a partir del estudio de estructuras jerárquicas y las superficies.

En este sentido, uno de los institutos que más ha contribuido al desarrollo de sistemas biomiméticos en la arquitectura ha sido el Instituto de Estructuras Ligeras de Stuttgart. Fundado por Frei Otto y Buckminster Fuller en los años setenta, aún continúa realizando estudios, investigaciones y proyectos en torno a la naturaleza como eje central de sus proyectos y enseñanzas. Ahora se apoya en tecnologías avanzadas como métodos de construcción paramétrica y robots digitalizadores para sus construcciones, al igual que en el desarrollo de sistemas ultralivianos, usando sistemas adaptativos e integrando distintas disciplinas como la ciencia de los materiales o la construcción a partir de textiles, vidrio, acero y concreto pretensado a partir del diseño de sistemas estructurales. Mediante el estudio de la naturaleza optimizan la forma y la manera en que se distribuyen las cargas de la estructura, optimizando a su vez la energía en la construcción. Existe una premisa en el instituto y es la búsqueda de la economía y resistencia a partir de la forma.

Otro de los autores más reconocidos es Thomas Speck, director del Jardín Botánico de Freiburg en Alemania, quien ha desarrollado proyectos en conjunto con diversos institutos, universidades y empresas; además de proyectos coordinados con colegios