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(Noticias de Nanowerk) Las próximas décadas presentarán nuestro entorno construido con una multitud de desafíos: una población mundial en crecimiento junto con una urbanización en aumento; infraestructura en ruinas y recursos escasos para reconstruirla; y las crecientes presiones de un clima cambiante, por nombrar algunos.
Para volverse más habitables para más personas, las propias ciudades deben volverse más inteligentes, con edificios, puentes e infraestructura que ya no sean estáticos sino dinámicos, capaces de adaptarse y responder a lo que sucede a su alrededor. Cuando estas estructuras no están exactamente vivas, necesitan ser realistas en aspectos importantes. Y para eso necesitan incorporar materiales vivos.
«Ingenieros y científicos han estado trabajando con los llamados materiales inteligentes durante cientos de años», dice Zoubeida Ounaies. «La piezoelectricidad se descubrió en la década de 1880. Los materiales inteligentes pueden sentir y responder a su entorno, explica, «pero siempre necesitan un sistema de control externo o una fuente de energía. Los materiales vivos que se adaptan, responden al medio ambiente, se fortalecen y se regeneran, tal como lo hacen los materiales en la naturaleza, son el siguiente paso lógico”.
Ounaies, profesor de ingeniería mecánica en Penn State, es director del Centro de Convergencia para Sistemas de Materiales Multifuncionales Vivos, una asociación de investigación entre Penn State y la Universidad de Freiburg en Alemania. Conocido como LiMC2, el centro es uno de los pocos en todo el mundo centrado en este campo emergente.
Un nuevo paradigma: materiales técnicos inspirados en la naturaleza
Los materiales vivos, explica Ounaies, son materiales diseñados inspirados en la naturaleza. A veces incluso contienen elementos biológicos. En cualquier caso, sus propiedades dinámicas les permiten adaptarse a los cambios de su entorno y reaccionar ante estímulos externos. Pueden cambiar de forma, curarse a sí mismos e incluso tomar decisiones simples.
La contraparte de Ounaie en Freiburg es Jürgen Ruhe, Director del Clúster de Excelencia para Sistemas de Materiales Vivos, Adaptativos y Autonomos de Energía (livMatS). En un seminario web el verano pasado, Ruhe lo expresó de esta manera: “Cuando observamos los materiales de hoy, una de las características más importantes es que los materiales tienen propiedades que no cambian con el tiempo. Pero cuando miramos la naturaleza, nada es realmente constante. Para los sistemas vivos, la adaptabilidad es la clave para la supervivencia. El objetivo de nuestro grupo livMatS es generar sistemas de materiales que puedan adaptarse a los cambios en el entorno en función de la información sensorial y luego mejorar durante su vida útil”.
Es importante destacar que, dice Ounaies, los materiales vivos son multifuncionales. No solo proporcionan fuerza, elasticidad o dureza, sino que reducen la contaminación ambiental y promueven la salud; controlan su propio estado y pueden reciclarse o reabsorberse después del consumo. Cosechan energía de su entorno, la almacenan y la utilizan para lo que necesitan. Idealmente, hacen estas cosas con su propia fuente de alimentación y sin sensores o motores externos.
Quizá los materiales vivos diseñados apunten sobre todo a ser sostenibles. «El concepto requiere que observemos el ciclo de vida completo», dice Ounaies. “Pensando en el material de origen, los procesos de extracción y fabricación, los residuos generados, la energía requerida.” El diseño tiene que tener todo en cuenta. A diferencia de muchos materiales inteligentes, los materiales vivos no contaminan el medio ambiente.
![Planta ave del paraíso naranja y rosa](https://www.nanowerk.com/news2/green/id61477_2.jpg)
“Si lo piensas”, dice, “los comportamientos adaptativos ocurren todo el tiempo en la naturaleza. Quizás no en forma física, pero ciertamente en sistemas. Hay sistemas de plantas que hacen esto. Hay animales que hacen eso. “La naturaleza hace el trabajo de diseño original. «Por ejemplo, examinar el patrón jerárquico de un caparazón de molusco o la estructura intrincada de las alas de un pájaro te inspira a aplicarlos a estructuras hechas por el hombre de una manera que integre múltiples funcionalidades».
Thomas Speck ha estado fascinado por la biónica durante 30 años. Formado como biofísico, Speck es ahora profesor de botánica en la Universidad de Friburgo. Estudia la morfología funcional de las plantas -la relación entre estructura y función- y cómo estos «modelos biológicos» podrían trasladarse al mundo de la tecnología. Como director del jardín botánico de la universidad, se inspira en más de 6000 especies.
Las plantas, dice Speck, tienen importantes lecciones que ofrecer. “En primer lugar, son móviles, aunque su movimiento a menudo se nos oculta”, explica. “Gran parte del movimiento de las plantas es muy estético: piense en la apertura de una flor. Queremos transportar esta estética a nuestras soluciones arquitectónicas”.
![El pabellón livMatS en el jardín botánico de la Universidad de Friburgo](https://www.nanowerk.com/news2/green/id61477_1.jpg)
Además, dice Speck, las plantas hacen su magia con un conjunto muy limitado de materiales estructurales. “Celulosa, hemicelulosa, lignina, un poco de pectina. Tres polisacáridos y un polímero poliaromático complejo. Con estos materiales, todos los cuales son relativamente fáciles de reciclar, pueden crear estructuras asombrosas, sistemas asombrosos que funcionan increíblemente bien”.
Un ejemplo simple es el cono de pino, cuyas escamas en forma de paleta se abren y cierran en respuesta a los cambios en la humedad ambiental. En los Jardines Botánicos, Speck y sus colegas analizaron piñas fosilizadas de 50 millones de años y descubrieron que todavía funcionan como especímenes modernos. «Y no cuesta nada de energía porque los cambios de humedad son inducidos por la luz solar», dice.
A pesar de lo increíblemente robusto que es el mecanismo natural, Speck señala que la piña es simplemente reactiva. «Cuando está mojado, está cerrado. Cuando está seco, está abierto”. Siguiendo este principio, dice: “Queremos diseñar sistemas que sean interactivos, que puedan combinar movimientos, que tomen decisiones. Para nosotros, la biónica significa que nos dejamos inspirar por la naturaleza y luego reinventamos la naturaleza. No lo copiamos. Queremos combinar lo mejor de ambos mundos: naturaleza viva y tecnología”.
Se crea un centro de materiales vivos
La ingeniería de materiales vivos requiere una combinación abrumadora de habilidades: en biología, materiales, ingeniería y diseño, por nombrar algunas. Es exactamente el tipo de problema para el que se crearon los institutos interdisciplinarios de Penn State. LiMC2 comenzó cuando los directores de dos de esos institutos, Tom Richard de los Institutos de Energía y Medio Ambiente y Clive Randall del Instituto de Investigación de Materiales, vieron esta área emergente como una en la que la universidad podía sobresalir.
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