Biomimética aplicada a los textilesPaula CrociUNT FRBA2012

¿Qué es la biomimética?Es el estudio de los mecanismos,

funciones y estructuras naturales, para aplicarlos en la resolución de problemas.

El concepto es tan antiguo como los primeros humanos, que imitaban el comportamiento de los animales para cazar, refugiarse y sobrevivir.

El investigador Otto H. Schmitt, introdujo el término en un contexto científico por primera vez en 1963.

Biomimética y sustentabilidad: qué imitar de la naturaleza.Funcionalidad a través del diseño:

utilización de bloques básicos de construcción.

Condiciones de manufactura: bajas condiciones de energía, temperatura y presión ambiente.

Estructuras multifuncionales y adaptativas: realizar varias funciones, permite optimizar el uso de recursos.

Métodos de aplicación (1)Bottom-up

Implementación técnica

Abstracción del modelo biológico

Síntesis (entender los principios)

Análisis del sujeto natural

Métodos de aplicación (2)Top-down

Mejora del producto

Estudio de viabilidad técnica y prototipado

Abstracción (independencia del modelo biológico)

Identificación de los principios apropiados

Búsqueda de analogías biológicas

Problema técnico

Biomimética en la industria textil: antecedentesImitación de las fibras naturales:

◦ Viscosa (1894), conocida como “seda artificial”.

◦ Poliamida (1939), la primera imitación química de la seda.

◦ Acrílico (1944), primera “lana artificial”.Velcro (1941) Imitación de abrojos

o flores del cardo, Ideada por George de Mestral

Biomimética en la industria textil: aplicaciones

Superficies funcionales: auto limpiantes Imitan la superhidrofobicidad de las hojas del loto Ésta se debe a las células epidérmicas de las hojas

que forman nano estructuras rugosas donde las gotas de agua resbalan, arrastrando los contaminantes de la superficie.

Repelencia al agua y manchas, menos frecuencia de lavado. No se afecta la respirabilidad y tacto de la tela.

Marcas comerciales: Aquapel (Nanotex), NanoSphere(Schoeller), Green Shield y Mincor (BASF).

Superficies funcionales: hidrodinámicas Imitan la estructura de la piel del tiburón, formada por

dentículos con ranuras longitudinales que permiten que el agua se mueva de forma eficiente sobre su superficie.

Speedo creó el traje de baño Fastskin, que reduce la fricción por arrastre en un 4%

Otras aplicaciones: barcos y aviones

Sistemas ópticos: fibras coloreadas estructuralmente (1) Imitación de la estructura de las alas de la

mariposa Morpho Menelaus. Su color se debe a capas de micro escamas,

que causan fenómenos de interferencia y difracción, produciendo una variedad de colores.

Sistemas ópticos: fibras coloreadas estructuralmente (2) Teijin Fibers desarrolló la fibra Morphotex, con una

hilatura especial. Posee capas de PET recuperado y poliamida, de entre 70 y 84 nm de espesor.

Kuraray Corp. creó la tela Diphorl, con fibras bicomponentes de poliéster con un corte transversal rectangular.

No se utilizan pigmentos,

ni tintes, por lo que se

ahorra energía.

El color no se degrada.

Sistemas ópticos: fibras con reflexión reducida Imitación de la estructura de los ojos de la polilla,

que posee microtiquias, protuberancias muy pequeñas de 200 nm de espesor, que disminuyen la reflexión de la luz.

Kururay Corp. creó la fibra Clavella, con microcráteres creados mediante el uso de nanotecnología. Se consiguen colores más intensos en poliéster sin usar gran cantidad tintes.

Aislación térmica (1)Imitación de la estructura de la piel y

plumas de los pingüinos.Minimizan la pérdida

de calor atrapando aireentre sus plumas. Al momento de nadar, se libera el aire y la superficie se compacta para repeler el agua.

Aislación térmica (2)N. & M.A. Saville Associates creó un sistema

textil con la intención de aplicarlo a uniformes militares.

Gore Tex comercializa Airvantage, un sistema que permite incorporar aire a las camperas para aumentar la aislación.

Absorción y conversión de energía solar (1) Imitación del pelaje del oso polar,

consistente en pelos gruesos de 100 a 150 micrones de diámetro y una capa densa de pelos finos de 25 a 75 micrones de diámetro. Todos ellos unidos a una capa de piel negra de 1 mm de espesor.

La absorción y transformación de la energía solar se debe a los pelos más gruesos, huecos, que actúan comouna fibra óptica.

Absorción y conversión de energía solar (2)La piel negra impide la liberación del calor.El instituto alemán ITV Denkendorf realizó un

colector de calor solar utilizando fibras textiles.

Esta tecnología es comercializada por Solarengie Stefanakis, una empresa fabricante de sistemas de recolección solar.

Ventilación adaptativa (1) Imitación de las piñas de los árboles, cuyo

tejido estructural se modifica con la humedad relativa ambiente.

El tejido posee dos capas, una activa que se expande longitudinalmente con la humedad, y otra inactiva que permanece inalterada; de modo que se produce una curvatura de las escamas de la piña.

Ventilación adaptativa (2) MMT Textiles creó un sistema textil aplicando

este principio y está en vías de comercializarlo. Nike creó prendas bajo el nombre Sphere Macro

React. Schoeller comercializa una membrana llamada c-

change.

Ventilación adaptativa (3) Imitación de los estomas de las hojas,

encargados del intercambio de gases y agua en las plantas.

Stomatex es una tecnología que utiliza un patrón de cámaras de vapor en formas de domo con un pequeño poro para liberarlo.

Sistemas de adhesión (1) Imitación de la estructura de las patas del

gecko, con miles de terminales que se unen a las superficies por fuerzas de Van der Waals.

Están constituidas por una estructura jerárquica de lamelas, setas y espátulas.

Sistemas de adhesión (2)Se aplica en cintas de adhesión

seca, limpia y reversible.Las más eficientes, están

elaboradas con nanotubos de carbono; aunque se han fabricado también con siliconas, poliamida y poliuretano.

Fibras más resistentes: seda de araña (1)Las sedas de araña, son filamentos de

biopolímeros de proteínas; hilados a temperatura y presión ambiente.

La araña produce diferentes tipos de seda según la necesidad.

Glándula Uso

Ampulácea mayor Líneas primarias, encuadre de la tela

Ampulácea menor Construcción de la tela

Piriforme Ligadura

Acinoforme Envoltura de las presas

Cilíndirca Capullos

Agregada Seda pegajosa para atrapar presas

Flageliforme Seda espiral donde se pegan las presas

Fibras más resistentes: seda de araña (2)La seda de la ampulácea mayor,

tiene la misma resistencia que el Kevlar, pero mayor elongación.

Nexia Biotechnologies, desarrolló Biosteel, con la proteína de la leche de cabras a las que se les insertó un gen de la araña.

El desafío es la imitación del sistema de hilatura que poseen estos animales.

Diseño (1) Imitación del caparazón del pangolín, con

escamas que se superponen como tejas para protegerse del exterior.

Cyclus, una empresa colombiana, diseñó una línea de bolsos y carteras inspirada en el pangolín. Utilizan neumáticos como materia prima.

Diseño (2) Imitación de patrones naturales como suelos

de bosques y fondos de ríos.La empresa de alfombras Interface, tiene

una línea llamada Entropy de módulos basados en patrones naturales.

Se fabrican con materiales reciclados y permiten intercambiar sólo los módulos que no sirvan, sin que se note la diferencia.

Futuras aplicaciones

Blancos más puros: escarabajo Cyphochilus.

Colores sin tintes ni pigmentos: loros y jilgueros americanos.

Polímeros biodegradables: bacterias productoras de poliéster.

Mayor resiliencia: alas de escarabajos.Superficies que repelen amoníaco:

pez Misgurnus anguillicaudatus.

Situación de la I&D en el mundo (1)Biomimicry Institute: es una

institución co-creada por Janine Benyus. Ofrecen talleres y charlas, y proyectan incorporar la biomimética a la educación secundaria y universitaria.

En 2008 lanzaron asknature.org, una base de datos de organismos y funciones biológicas con ideas a imitar.

Situación de la I&D en el mundo (2)De acuerdo a la Red de Conocimiento

del Institute for Scientific Information, el número de papers relacionados con la biomimética se ha incrementado notablemente desde los 90.

Situación de la I&D en el mundo (3)El Reino Unido posee desde 2002 una red

llamada BIONIS (The Biomimetics Network for Industrial Sustainability), conformada por universidades y empresas para difundir la biomimética.

En Alemania se fundó en 2001 BIOKON (Bionics Competence Network), que registra el desarrollo de mercado, organización y transferencia de conocimiento sobre el tema.

Situación de la I&D en el mundo (4)En 2006 se lanzó un journal

especializado, Bioinspiration & Biomimetics.

En marzo de 2011 se realizó la primera convención internacional sobre biomimética, organizada por BIOKON, en Berlín.

Situación de la I&D en ArgentinaNo se encuentra tan extendido el tema

como en el resto del mundo.En la web del CONICET se encuentran

algunos investigadores argentinos que participaron en:◦ Estudio del batimiento de las alas de pequeños

insectos para aplicar a mini vehículos robóticos.◦ Estudio de la interacción de lípidos y proteínas

en el hígado.◦ Estudios sobre nanorecubrimientos

biomiméticos.La Lic. En Cs. Químicas, Delia Bernik

publicó en un libro del MinCyT, un capítulo sobre Química, biomimética y sensores.

Aspectos a tener en cuenta

Es fundamental para la aplicación de la biomimética mejorar los siguientes aspectos:◦Colaboración entre ingeniería y

ciencias naturales◦Alianzas entre empresas y

universidades◦Establecimiento del tema en los

sistemas educativos◦Destacar el rol de los museos donde se

encuentran información de los especímenes biológicos

ConclusionesLa aplicación de la biomimética es

importante dada la necesidad de impulsar el desarrollo sustentable, permite ahorrar materiales y energía, y reducir nuestra huella ecológica.

Es fundamental la educación de diseñadores e ingenieros para que incorporen estos conceptos en sus creaciones.