Engenheiros Buscam Inspiração na Natureza para Projetar Soluções de Filtração de Água Impressas em 3D

A natureza sempre inspirou engenheiros, arquitetos, pesquisadores tecnológicos e cientistas ao redor do mundo. As aves inspiraram nossa tecnologia de voo. Os ecossistemas de pradarias incentivaram a humanidade a desenvolver sistemas agrícolas mais sustentáveis e eficientes. Fluxos espirais em flores inspiraram sistemas eficientes de mistura de água. Sementes de burro inspiraram o velcro. A lista continua interminavelmente!

Agora, um relatório científico foi publicado no qual engenheiros do MIT mostram como a técnica única de filtração da raia-móbula e suas estruturas especializadas podem inspirar filtros de água industriais mais eficientes. 

Antes de aprofundar na descoberta, vamos observar brevemente as Raias Móbula.

O que são as Raias Móbula?

Também chamadas de raias voadoras por seus saltos acrobáticos, Raias Móbula são criaturas com corpos grandes, planos e em forma de diamante e nadadeiras longas que lhes permitem deslizar pela água – e também pelo ar.  Esses peixes costumam se reunir para saltar da água e lançar‑se ao ar, frequentemente pulando cerca de dois metros acima da superfície antes de cair de volta com um respingo.

Como aponta o Museu de História Natural, as Raias Móbula se alimentam por filtração, ou seja, elas filtram o plâncton da água usando a boca, e esses cardumes costumam se reunir em grandes números. Mas como elas podem ser uma inspiração no design de soluções de filtração de água impressas em 3D? Discutiremos isso no próximo segmento.

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Seguindo as Raias Móbula para Filtração de Água

O aparelho de filtragem da Raia Móbula assemelha‑se a filtros industriais de fluxo cruzado, mas opera sob um regime de parâmetros diferente. Para fechar a lacuna entre o fluxo cruzado industrial e a filtração da Móbula, os pesquisadores estabeleceram uma estrutura universal para o trade‑off permeabilidade‑seletividade em um canal vazante.

Os pesquisadores afirmam ter demonstrado com sucesso que a geometria dos filtros da Móbula evoluiu para alcançar um equilíbrio que acomoda respiração e alimentação, e derivar princípios de design que vão além dos regimes de filtração tradicionais. O resultado é a criação de dispositivos de filtração inspirados na Móbula. 

Embora tudo isso possa soar como exercícios complexos no campo da biomimética, é mais simples seguir o mecanismo se observarmos as Raias Móbula um pouco mais de perto. As raias Móbula se alimentam nadando de boca aberta por regiões ricas em plâncton e filtrando partículas de plâncton para seu esôfago enquanto a água entra pela boca e sai pelas brânquias.

O fundo da boca da raia Móbula é revestido em ambos os lados por estruturas paralelas em forma de pente, chamadas placas, que canalizam água para as brânquias da raia. São essas placas que contêm a chave para a pesquisa presente que estamos discutindo aqui.

A equipe de pesquisadores do MIT demonstrou que as dimensões dessas placas podem permitir que o plâncton entrante rebata por toda a extensão das placas e avance ainda mais para a cavidade da raia, em vez de sair pelas brânquias. Além disso, as brânquias da Raia Móbula podem absorver oxigênio da água que sai, ajudando a respirar simultaneamente enquanto se alimenta.

De acordo com o estudo author Anette “Peko” Hosoi, the Pappalardo Professor of Mechanical Engineering at MIT:

“Nós (os pesquisadores) mostramos que a raia móbula evoluiu a geometria dessas placas para que tenham o tamanho perfeito para equilibrar alimentação e respiração.”

Os pesquisadores criaram um filtro de água de acordo com as características de filtragem de plâncton da raia móbula. Subsequentemente, investigaram como a água poderia fluir através do filtro quando equipado com estruturas semelhantes a placas impressas em 3D. Os resultados obtidos desses exercícios foram transformados em um plano para que designers o utilizem na otimização de filtros industriais de fluxo cruzado, que são amplamente semelhantes em configuração à da raia móbula.

De acordo com o autor principal e pós‑doutorando do MIT Xinyu Mao:

“Queremos expandir o espaço de design da filtração tradicional de fluxo cruzado com novo conhecimento da raia manta.”

Ao explicar a natureza da expansão, o pesquisador disse:

“As pessoas podem escolher um regime de parâmetros da raia móbula para potencialmente melhorar o desempenho geral do filtro.”

Em seu próprio design de filtro inspirado na raia móbula, a equipe de pesquisa criou um filtro simples. O design, conhecido como ‘canal vazante’, assemelha‑se a um tubo com furos ao longo de seus lados. Para detalhar mais a natureza do ‘canal’, ele consistia em duas placas planas de acrílico com um pequeno espaço entre elas, permitindo que o fluido fluísse. Em uma extremidade do canal, os pesquisadores colocaram estruturas impressas em 3D que imitavam as placas sulcadas dentro da boca da raia móbula.

Eles testaram o conjunto bombeando água através do canal em diferentes velocidades. Adicionaram corante colorido para obter uma visualização eficaz do fluxo. Quando a taxa de fluxo aumentou, a água criou vórtices na entrada de cada sulco, impedindo que partículas passassem e empurrando‑as para baixo dos canais.

O que as raias móbula tipicamente fazem é nadar na velocidade correta para gerar vórtices que aprisionam até as menores partículas de plâncton, permitindo que o restante da água flua pelas brânquias. Essa percepção torna‑se a chave para um plano ideal de otimização de filtros industriais de fluxo cruzado, oferecendo orientações práticas para melhorar o design de filtros.

1. Ford

Uma das marcas automotivas mais reverenciadas do mundo – Ford – tirou inspiração das abelhas para projetar uma prateleira de carga em forma de favo de mel, leve porém resistente para seu totalmente novo SUV EcoSport. O EcoSport da Ford tinha seu piso de carga ajustável feito de favo de mel de papel 100% reciclado de alta resistência, ajudando os clientes de SUVs compactos a fazer mais com menos.

Construído a partir de papel totalmente natural e cola à base de água, o piso de favo de mel de seis libras era ecológico e suficientemente forte para suportar quase 700 libras de carga. Originalmente derivada das abelhas, a tecnologia biomimética foi introduzida pela primeira vez na fabricação de portas residenciais há 50 anos. 

Ao falar sobre o design inspirado na natureza em seus carros, Mike Maxzzella, engenheiro chefe assistente do Ford EcoSport, disse:

“O design hexagonal do favo de mel é um testemunho da engenhosidade da natureza. Não só é forte, como também super leve. Os clientes podem deslizar a prateleira em múltiplos compartimentos diferentes, como uma grade de forno, e até armazená‑la na parte traseira dos assentos. Isso ajuda a tornar o EcoSport super‑flexível no uso cotidiano.” 

A prateleira do EcoSport pesava apenas seis libras. Ainda assim, foi classificada para suportar cerca de 700 libras em uma superfície de 38,5 polegadas por 25,25 polegadas. Em outras palavras, essa prateleira pode conter inúmeras combinações de itens pesados, como cinco sacos de mistura de concreto (94 libras cada), quatro sacos grandes de terra vegetal (40 libras cada) e oito galões individuais de água (um pouco mais de oito libras cada).

A Ford sempre foi uma empresa que recorre à função da natureza para entender como seus produtos podem ser aprimorados, mais eficientes e robustos. Quase uma década atrás, em 2015, a empresa começou a explorar a Biomimética de forma organizada. Ela anunciou uma parceria de pesquisa com a Procter and Gamble para criar adesivos inovadores com a ajuda do Biomimicry Institute, uma organização sem fins lucrativos que defendia a adoção de soluções inspiradas na natureza.

Ao falar sobre a importância de tais parcerias, Beth Rattner, diretora executiva do Biomimicry Institute, disse:

“Acho que é fundamental que alguém como a Ford diga, ‘Estamos colocando nossos esforços nisso não apenas porque acreditamos que é melhor, um design mais sustentável, mas para que as pessoas prestem mais atenção ao organismo natural no processo.'”

Em 2015, a empresa tentou derivar novos adesivos estudando as almofadas dos dedos do lagarto Tokay, que permitem ao réptil correr por tetos e janelas de vidro. A Ford viu isso como uma oportunidade de aumentar as taxas de reciclagem de seus veículos em até 10%, já que um adesivo inspirado nas patas de lagarto poderia permitir ao fabricante separar melhor a mistura de plásticos e espumas deixada após um carro ser desmontado de suas partes metálicas.

De acordo com Debbie Mielewski, então líder técnico sênior de pesquisa em plásticos e sustentabilidade na Ford:

“Se pudéssemos separá‑lo, se pudéssemos identificar diferentes fluxos dentro dele, teríamos uma chance muito maior de utilizá‑los em aplicações de alto nível.”

Enquanto a Ford continua a se inspirar na natureza, ela continua a ter um bom desempenho financeiro e de receita. A empresa registrou uma receita de US$ 46,20 bi no trimestre que terminou em 30 de setembro de 2024, com crescimento de 5,47%, elevando a receita dos últimos doze meses para US$ 182,74 bi, um aumento de 4,89% em relação ao ano anterior. No ano de 2023, a Ford Motor Company (F ) teve uma receita anual de US$ 176,19 bi com crescimento de 11,47%.

2.  The Procter and Gamble Company

Outra grande corporação que está na vanguarda de aprender melhores princípios de formulação de produtos a partir da natureza é a Procter and Gamble. Em 2024, a Procter and Gamble formou uma parceria com a Basecamp Research, um mapeador da biodiversidade genética para design de proteínas baseado em IA, para acelerar o desenvolvimento de enzimas de limpeza de alto desempenho para condições de água fria.

A parceria buscava aprender com organismos adaptados a ambientes frios para projetar enzimas inovadoras com desempenho aprimorado em lavagens a frio usando IA. Ao falar sobre o objetivo da parceria e o valor que a P&G deseja extrair dela, o Dr. Philip Souter OBE, diretor sênior de Pesquisa e Desenvolvimento de lavanderia na P&G, disse:

“Estamos satisfeitos em nos associar à Basecamp Research nesta iniciativa, trabalhando juntos para desenvolver novas soluções combinando sua visão única da natureza e capacidade de IA com nossa ampla maestria em inovação para oferecer uma experiência superior ao consumidor.”

A P&G tinha planos específicos para aproveitar as capacidades da Basecamp Research na compreensão da biodiversidade genética de milhões de organismos em ambientes frios e usá‑la para aumentar a eficácia em temperaturas de lavagem mais baixas, reduzindo a necessidade de água quente — o que é melhor para o meio ambiente e para as contas de aquecimento.

A Procter and Gamble também foi inspirada pela pesquisa da Biomimicry 3.8 que extraiu insights de serpentes e sanguessugas para projetar detergentes melhores. A Biomimicry 3.8 é a principal empresa de consultoria e treinamento profissional do mundo focada em design e inovação positivos para a natureza.

Uma das pesquisas da Biomimicry 3.8 analisou a melhoria da eficácia de remoção de manchas dos produtos de lavanderia. Ao focar em padrões profundos no mundo biológico, a Biomimicry 3.8 identificou 30 estratégias biológicas únicas com potencial para resolver o desafiador problema de remover manchas de sangue dos tecidos. A pesquisa investigou como serpentes e sanguessugas funcionam, pois são dentre os muitos organismos que podem digerir sangue e são consideradas algumas das mais difíceis de remover manchas.

Esses organismos, juntamente com muitos outros, ofereceram valiosas lições de design para uma solução com potencial de limitar o uso de cloro, águas residuais e energia na remoção de manchas. Graças a essa pesquisa, o departamento de P&D da P&G redirecionou todos os seus esforços de pesquisa. O cientista principal Yousef Aouad disse que o trabalho forneceu à equipe um modelo de mancha de sangue com compreensão conceitual das etapas sequenciais para eliminar manchas de sangue.

“Mas, mais importante, o modelo agora também explica em retrospectiva: Por que é que nossas enzimas atuais não conseguem fazer seu trabalho nas manchas de sangue?”

– Yousef Aouad

Aprender com a natureza e constantemente se inspirar nela significou mais e mais crescimento nas ofertas da empresa e diversidade em sua gama de produtos. A receita da empresa registrou um crescimento constante em suas vendas líquidas. Ela aumentou de US$ 71 bi em 2020 para US$ 84 bi em 2024. O lucro operacional também subiu de US$ 15,7 bi para US$ 18,5 bi.

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O Futuro dos Designs Inspirados na Natureza

As empresas estão cada vez mais interessadas em se inspirar na natureza, pois seus designs são sustentáveis, ecológicos, capazes de otimizar recursos disponíveis e flexíveis o suficiente para se adaptar a diversas condições climáticas. 

Uma das imitações mais recentes e altamente populares da natureza em design e engenharia foi quando a Mercedes Benz desenvolveu o Carro Biónico, inspirando‑se na grande resistência estrutural e baixa massa do peixe caixa. O carro foi relatado como tendo redução de arrasto enquanto exibia níveis significativos de rigidez, baixo peso e consumo de combustível muito menor que os carros tradicionais. 

No Japão, o design dos trens‑bala foi inspirado pelo martim‑pescador. Mestres em viajar entre os meios do ar e da água, com muito pouca espuma, esses trens inspiraram o design do trem‑bala Shinkansen com um nariz longo em forma de bico. O design reduziu significativamente o nível de ruído do trem, além de usar 15% menos eletricidade e viajar 10% mais rápido que antes.

Quase duas décadas atrás, outro grupo de pesquisadores do MIT produziu um novo material que poderia capturar e controlar pequenas quantidades de água. O design foi inspirado por besouros do tamanho de uma moeda de dez centavos. O material combinou uma superfície superhidrofóbica (repelente à água) com protuberâncias superhidrofílicas (atraentes à água) que aprisionavam gotas de água e controlavam o fluxo de água. 

Aplicações potenciais para o novo material incluíam a captação de água, a criação de um laboratório em um chip (para diagnóstico e triagem de DNA) e a produção de dispositivos microfluídicos e de resfriamento.

A história da biomimética é tão antiga quanto a própria civilização humana. Exemplos disso não estão apenas na engenharia, mas também na arquitetura. Na arquitetura, a biomimética se manifesta no design de edifícios mais sustentáveis e eficientes que estão em harmonia com a natureza. Muitas vezes chamadas de arquiteturas biomiméticas, esses edifícios se inspiram na natureza para se tornarem energeticamente eficientes, bioclimáticos, sustentáveis, adaptáveis, resilientes e sustentáveis. 

No entanto, para tornar a biomimética um processo mais eficiente, as ferramentas precisam se tornar mais eficazes. Segundo os designers, embora não falte ferramentas de biomimética para escolher, a maioria das ferramentas biomiméticas ajuda os designers a gerar conceitos e mapear esses conceitos do campo da biomimética para aplicações potenciais, mas essas ferramentas oferecem pouco conselho prático sobre como traduzir conceitos biológicos em protótipos fabricáveis.

Entretanto, tem havido um aumento notável nos investimentos em tecnologias que nos ajudam a adotar designs baseados na natureza em nossas aplicações cotidianas. Segundo estimativas, o mercado global de tecnologia biomimética pode crescer de US$ 6,8 bi em 2017 para US$ 18,5 bi em 2028. 

Nos primeiros tempos, o objetivo da tecnologia e das máquinas era simplificar nossas vidas automatizando tarefas repetitivas e iterativas. Hoje, a tecnologia precisa ser orientada à sustentabilidade, de modo que use os recursos disponíveis de forma criteriosa e deixe o menor impacto possível em nosso planeta em termos de emissões de carbono.

Designs inspirados na natureza podem ser uma ótima maneira de tornar a tecnologia mais eficiente dessa forma. Essa característica do design inspirado na natureza ajudaria a atrair mais atenção e investimento nos próximos dias.

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