Los ingenieros buscan inspiración en la naturaleza para diseñar soluciones de filtración de agua impresas en 3D

La naturaleza siempre ha inspirado a ingenieros, arquitectos, investigadores tecnológicos y científicos de todo el mundo. Las aves han inspirado nuestra tecnología de vuelo. Los ecosistemas de pradera han alentado a la humanidad a desarrollar sistemas agrícolas más sostenibles y eficientes. Los flujos espirales en las flores han inspirado sistemas eficientes de mezcla de agua. Las semillas de cardo han inspirado el velcro. ¡La lista sigue y sigue!

Ahora, ha salido un informe científico en el que ingenieros del MIT muestran cómo la técnica de filtrado única del rayo mobula y sus estructuras especializadas podrían inspirar filtros de agua industriales más eficientes. 

Antes de profundizar en el descubrimiento, echemos un vistazo breve a los rayos mobula.

¿Qué son los rayos mobula?

También llamados rayos voladores por sus saltos acrobáticos, Los rayos mobula son criaturas con cuerpos grandes, planos y en forma de diamante y aletas largas que les permiten deslizarse por el agua – y también por el aire.  Estos peces se reúnen regularmente para saltar fuera del mar y lanzarse al aire, a menudo saltando alrededor de dos metros fuera del agua antes de caer de nuevo con un chapoteo.

Según señala el Museo de Historia Natural, los rayos mobula se alimentan filtrando, lo que significa que separan el plancton del agua usando sus bocas, y que los bancos de ellos a menudo se reúnen en gran número. Pero, ¿cómo podrían ser una inspiración para diseñar soluciones de filtración de agua impresas en 3D? Discutiremos esto en el siguiente segmento.

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Siguiendo a los rayos mobula para la filtración de agua

El aparato de filtrado del rayo mobula se asemeja a los filtros industriales de flujo cruzado pero opera bajo un régimen de parámetros diferente. Para cerrar la brecha entre el flujo cruzado industrial y la filtración mobula, los investigadores establecieron un marco universal para el compromiso permeabilidad‑selectividad en un canal con fugas.

Los investigadores afirman haber demostrado con éxito que la geometría de los filtros mobula ha evolucionado para lograr un equilibrio que permita la respiración y la alimentación, y derivar principios de diseño que van más allá de los regímenes de filtración tradicionales. El resultado es la creación de dispositivos de filtración inspirados en los mobula. 

Mientras que todo esto podría sonar como ejercicios complejos en el campo de la biomimética, es más sencillo seguir el mecanismo si observamos a los rayos mobula un poco más de cerca. Los rayos mobula se alimentan nadando con la boca abierta a través de regiones del océano ricas en plancton y filtrando partículas de plancton hacia su buche mientras el agua fluye hacia sus bocas y sale por sus branquias.

El fondo de la boca del rayo mobula está revestido a ambos lados con estructuras paralelas en forma de peine, llamadas placas, que succionan agua hacia las branquias del rayo. Son estas placas las que contienen la clave de la investigación presente que estamos discutiendo aquí.

El equipo de investigadores del MIT ha demostrado que las dimensiones de estas placas pueden permitir que el plancton entrante rebote a través de las placas y se dirija más profundamente a la cavidad del rayo en lugar de salir por las branquias. Además, las branquias del rayo mobula pueden absorber oxígeno del agua que fluye para ayudar a respirar simultáneamente mientras se alimenta.

Según el estudio autor Anette “Peko” Hosoi, la profesora Pappalardo de Ingeniería Mecánica en el MIT:

“Nosotros (los investigadores) demostramos que el rayo mobula ha evolucionado la geometría de estas placas para que tengan el tamaño perfecto que equilibre la alimentación y la respiración.”

Los investigadores diseñaron un filtro de agua de acuerdo con las características de filtrado de plancton del rayo mobula. Posteriormente, estudiaron cómo el agua podría fluir a través del filtro cuando se equipaba con estructuras impresas en 3D similares a placas. Los resultados obtenidos de estos ejercicios se plasmaron en un plano para que los diseñadores lo utilicen en la optimización de filtros industriales de flujo cruzado, que son en gran medida similares en configuración al rayo mobula.

Según la autora principal y postdoctoral del MIT Xinyu Mao:

“Queremos expandir el espacio de diseño de la filtración de flujo cruzado tradicional con nuevos conocimientos del rayo manta.”

Al explicar la naturaleza de la expansión, la investigadora dijo:

“Las personas pueden elegir un régimen de parámetros del rayo mobula para que potencialmente mejoren el rendimiento general del filtro.”

En su propio diseño de filtro inspirado en el rayo mobula, el equipo de investigación creó un filtro sencillo. El diseño, conocido como ‘canal con fugas’, se asemeja a una tubería con agujeros a lo largo de sus lados. Para profundizar más en la naturaleza del ‘canal’, consistía en dos placas planas de acrílico con una ligera separación entre ellas, permitiendo que el fluido fluya a través. En un extremo del canal, los investigadores colocaron estructuras impresas en 3D que imitaban las placas ranuradas dentro de la boca del rayo mobula.

Probamos el montaje bombeando agua a través del canal a diferentes velocidades. Añadimos tinta coloreada para lograr una visualización eficaz del flujo. Cuando la velocidad del flujo aumentó, el agua creó vórtices en la entrada de cada ranura, impidiendo que las partículas pasaran y empujándolas hacia abajo por los canales.

Lo que los rayos mobula hacen típicamente es nadar a la velocidad adecuada para generar vórtices que atrapan incluso las partículas de plancton más pequeñas, permitiendo que el resto del agua fluya a través de sus branquias. Esta visión se convierte en la clave de un plano ideal para optimizar los filtros industriales de flujo cruzado, ofreciendo una guía práctica para mejorar el diseño de los filtros.

1. Ford

Una de las marcas automotrices más veneradas del mundo – Ford – tomó inspiración de las abejas para diseñar una estantería de carga de panal ligera pero resistente para su nuevo SUV EcoSport. El EcoSport de Ford tenía su piso de carga ajustable hecho de panal de papel 100% reciclado, ayudando a los clientes de SUV compactos a hacer más con menos.

Construido con papel totalmente natural y pegamento a base de agua, el piso de panal de seis libras era tanto ecológico como lo suficientemente fuerte como para manejar casi 700 libras de carga. Originalmente derivada de las abejas, la tecnología biomimética se introdujo por primera vez en la fabricación de puertas domésticas hace 50 años. 

Al hablar sobre el diseño inspirado en la naturaleza en sus autos, Mike Maxzzella, ingeniero jefe asistente del EcoSport de Ford, dijo:

“El diseño hexagonal del panal es un testimonio de la ingeniosidad de la naturaleza. No solo es fuerte, sino también súper ligero. Los clientes pueden deslizar la estantería en múltiples ranuras diferentes, como una rejilla de horno, e incluso almacenarla en la parte trasera de los asientos. Ayuda a que el EcoSport sea súper flexible en el uso cotidiano.” 

La estantería del EcoSport pesaba solo seis libras. Sin embargo, estaba clasificada para manejar cerca de 700 libras en una superficie de 38,5 pulgadas por 25,25 pulgadas. En otras palabras, esta delgada estantería podría sostener innumerables combinaciones de objetos pesados, como cinco bolsas de mezcla de concreto (94 libras cada una), cuatro bolsas grandes de tierra (40 libras cada una) y ocho galones individuales de agua (un poco más de ocho libras cada uno).

Ford siempre ha sido una empresa que ha buscado la función de la naturaleza para entender cómo sus productos podrían ser mejores, más eficientes y robustos. Hace casi una década, en 2015, la compañía comenzó a explorar la biomimética de manera organizada. Anunció una asociación de investigación con Procter and Gamble para crear adhesivos novedosos con la ayuda del Instituto de Biomimética, una organización sin fines de lucro que abogó por la adopción de soluciones inspiradas en la naturaleza.

Al hablar sobre la importancia de tales asociaciones, Beth Rattner, directora ejecutiva del Instituto de Biomimética, dijo lo siguiente:

“Creo que es fundamental que alguien como Ford diga, ‘Estamos poniendo nuestros esfuerzos en esto no solo porque creemos que es mejor, un diseño más sostenible, sino para que la gente preste más atención al organismo natural en el proceso.’”

En 2015, la compañía intentó derivar nuevos adhesivos estudiando las almohadillas de los dedos del gecko Tokay, que permiten al lagarto correr por techos y ventanas de vidrio. Ford lo vio como una oportunidad para aumentar las tasas de reciclaje de sus vehículos hasta en un 10% ya que un adhesivo inspirado en los dedos del gecko podría permitir al fabricante de automóviles separar mejor la mezcla de plásticos y espumas que queda después de que un coche es desmantelado de sus partes metálicas.

Según Debbie Mielewski, la entonces líder técnica senior de investigación de plásticos y sostenibilidad en Ford:

“Si pudiéramos separar lo, si pudiéramos identificar diferentes corrientes dentro de él, tendríamos muchas más posibilidades de poder utilizarlos para aplicaciones de mayor nivel.”

Mientras Ford sigue tomando inspiración de la naturaleza, continúa desempeñándose bien financieramente y en términos de ingresos. La compañía registró unos ingresos de $46.20B en el trimestre que finalizó el 30 de septiembre de 2024, con un crecimiento del 5.47%, llevando los ingresos de la compañía en los últimos doce meses a $182.74B, un aumento del 4.89% interanual. En el año 2023, Ford Motor Company (F ) tuvo unos ingresos anuales de $176.19B con un crecimiento del 11.47%.

2.  The Procter and Gamble Company

Otra gran entidad corporativa que está a la vanguardia de aprender mejores principios de formulación de productos de la naturaleza es Procter and Gamble. En 2024, Procter and Gamble formó una asociación con Basecamp Research, una cartógrafa de biodiversidad genética para el diseño de proteínas basado en IA, para acelerar el desarrollo de enzimas de limpieza de alto rendimiento para condiciones de agua fría.

La asociación buscaba aprender de organismos adaptados a entornos fríos para diseñar enzimas novedosas con mejor rendimiento en lavados fríos utilizando IA. Al hablar sobre el propósito de la asociación y el valor que P&G desea obtener de ella, el Dr. Philip Souter OBE, director senior de Investigación y Desarrollo de lavandería en P&G, dijo lo siguiente:

“Nos complace asociarnos con Basecamp Research en esta iniciativa, trabajando juntos para desarrollar nuevas soluciones combinando su visión única de la naturaleza y la capacidad de IA con nuestra amplia maestría en innovación para ofrecer una experiencia superior al consumidor.”

P&G tenía planes específicos para aprovechar las capacidades de Basecamp Research en la comprensión de la biodiversidad genética de millones de organismos en entornos fríos y usarla para aumentar la efectividad a temperaturas de lavado más bajas, reduciendo la necesidad de agua caliente — lo cual es mejor para el medio ambiente y las facturas de calefacción.

Procter and Gamble también se inspiró en la investigación de Biomimicry 3.8 que extrajo ideas de serpientes y sanguijuelas para diseñar detergentes mejores. Biomimicry 3.8 es la principal empresa de consultoría y capacitación profesional del mundo centrada en el diseño e innovación positivos para la naturaleza.

Una de las investigaciones de Biomimicry 3.8 se centró en mejorar la efectividad de eliminación de manchas de los productos de lavandería. Al enfocarse en patrones profundos del mundo biológico, Biomimicry 3.8 identificó 30 estrategias biológicas únicas con el potencial de resolver el desafiante problema de eliminar manchas de sangre de la tela. La investigación analizó la forma en que serpientes y sanguijuelas funcionan, ya que son algunos de los muchos organismos que pueden digerir sangre y se consideran uno de los creadores de manchas más difíciles.

Estos organismos, junto con muchos más, ofrecieron valiosas lecciones de diseño para una solución con el potencial de limitar el uso de cloro, aguas residuales y energía en la eliminación de manchas. Gracias a esta investigación, el departamento de I+D de P&G cambió todos sus esfuerzos de investigación. El científico principal Yousef Aouad dijo que el trabajo le dio al equipo un modelo de manchas de sangre con una comprensión conceptual de los pasos secuenciales para eliminar manchas de sangre.

“Pero lo más importante, el modelo ahora también explica a posteriori: ¿Por qué es que nuestras enzimas actuales no cumplen su función en las manchas de sangre?”

– Yousef Aouad

Aprender de la naturaleza y extraer inspiración de ella de forma constante significó más y más crecimiento en la oferta de la compañía y diversidad en su gama de productos. Los ingresos de la compañía experimentaron un crecimiento constante en sus ventas netas. Creció de US$71 mil millones en 2020 a US$84 mil millones en 2024. El ingreso operativo también aumentó de US$15,7 mil millones a US$18,5 mil millones.

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El futuro de los diseños inspirados en la naturaleza

Las empresas están cada vez más interesadas en extraer inspiración de la naturaleza, ya que sus diseños son sostenibles, ecológicos, capaces de optimizar los recursos disponibles y lo suficientemente flexibles para adaptarse a diversas condiciones climáticas. 

Una de las emulaciones más recientes y populares de la naturaleza en el diseño y la ingeniería fue cuando Mercedes Benz desarrolló el Coche Biónico, inspirándose en la gran resistencia estructural y baja masa del pez caja. Se informó que el coche reducía la resistencia aerodinámica mientras mostraba niveles significativos de rigidez, bajo peso y un consumo de combustible significativamente menor que los coches tradicionales. 

En Japón, el diseño de los trenes bala se inspiró en el martín pescador. Maestros en viajar entre los medios de aire y agua, con muy poca salpicadura, estos trenes inspiraron el diseño del tren bala Shinkansen con una nariz larga en forma de pico. El diseño redujo significativamente la cantidad de ruido que hacía el tren, también utilizó un 15% menos de electricidad y viajó un 10% más rápido que antes.

Hace casi dos décadas, otro grupo de investigadores del MIT produjo un nuevo material que podía capturar y controlar pequeñas cantidades de agua. El diseño se inspiró en escarabajos del tamaño de una moneda de diez centavos. El material combinó una superficie superhidrofóbica (repelente al agua) con protuberancias superhidrofílicas (atraen agua) que atrapaban gotas de agua y controlaban el flujo de agua. 

Las aplicaciones potenciales del nuevo material incluían la recolección de agua, la creación de un laboratorio en un chip (para diagnóstico y detección de ADN) y la fabricación de dispositivos microfluídicos y dispositivos de enfriamiento.

La historia de la biomimética es tan antigua como la propia civilización humana. Los ejemplos de esto no solo están en la ingeniería sino también en la arquitectura. En arquitectura, la biomimética se expresa en el diseño de edificios más sostenibles y eficientes que están en armonía con la naturaleza. A menudo llamados arquitecturas biomiméticas, estos edificios se inspiran en la naturaleza para volverse energéticamente eficientes, bioclimáticos, sostenibles, adaptativos, resilientes y sostenibles. 

Sin embargo, para que la biomimética sea un proceso más eficiente, las herramientas deben volverse más efectivas. Según los diseñadores, aunque no falta de herramientas de biomimética para elegir, la mayoría de las herramientas biomiméticas ayudan a los diseñadores a generar conceptos y mapear estos conceptos del campo de la biomimética a posibles aplicaciones, pero estas herramientas ofrecen poco consejo práctico para traducir conceptos biológicos en prototipos fabricables.

Sin embargo, se ha notado un aumento notable en las inversiones realizadas en tecnología que nos ayuda a adoptar diseños basados en la naturaleza en nuestras aplicaciones cotidianas. Según estimaciones, el mercado global de tecnología biomimética podría crecer de US$6.8 mil millones en 2017 a US$18.5 mil millones en 2028.

En los primeros días, el propósito de la tecnología y las máquinas era simplificar nuestras vidas automatizando tareas repetitivas e iterativas. Hoy en día, la tecnología debe orientarse a la sostenibilidad para que utilice los recursos disponibles de manera juiciosa y deje el menor impacto posible en nuestro planeta en términos de emisiones de carbono.

Los diseños inspirados en la naturaleza podrían ser una excelente manera de hacer la tecnología más eficiente de esa forma. Esta característica del diseño inspirado en la naturaleza ayudaría a captar más atención e inversión en los próximos días.

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