Download Introducción al diseño bioinspirado

Introducción al
diseño bioinspirado
(a)
Muchos objetos cotidianos han tomado la naturaleza como inspiración, pero, ¿estarán los futuros
productos para el cuidado de la visión bioinspirados por el ojo? El Dr. Peter Vukusic y el profesor
Joe Barr muestran algunos ejemplos habituales de diseño bioinspirado y cómo este principio puede
aplicarse al campo de las lentes de contacto
El mundo de la biología tiene muchos ejemplos de diseños enormemente funcionales y
adaptados, gracias a los cuales los animales o las plantas aprovechan las ventajas de
la interacción entre ellos y con lo que los
rodea.
la producción comercial. Desde entonces ha
cumplido muchas funciones para diversas
aplicaciones domésticas, científicas, industriales y militares.
Los científicos a menudo buscan inspiración en el mundo natural que puede ofrecer soluciones a los desafíos tecnológicos,
biomédicos o industriales. El diseño bioinspirado, también conocido como diseño biomimético1, tiene muchas aplicaciones en los
productos cotidianos. Uno de los inventos
utilizados más a menudo como ejemplo es
el Velcro (Figura 1).
Más recientemente, algunos estudios de
biología y el mundo natural han descubierto el potencial de muchos otros productos
bioinspirados. Entre ellos se encuentra la
cinta Gecko, una cinta adhesiva basada en
el principio por el que las patas de los gecos
o salamanquesas se adhieren firmemente a
las superficies lisas (Figura 2).
El descubrimiento del mecanismo que hay
detrás del Velcro se atribuye a un ingeniero suizo, George de Mestral, y se remonta
a 1941. Al volver de un paseo por los Alpes
con su perro, observó que el pelo del animal
había recogido semillas de bardana. Una
inspección más minuciosa reveló que las semillas contenían pequeños ganchos al final
de sus espinas protectoras. Estos ganchos
se habían quedado prendidos a los rizos del
pelo del perro.
de Mestral vio la oportunidad de unir dos
superficies sintéticas creando un sistema
artificial equivalente, con ganchos y rizos,
que pudieran fijarse a dichas superficies. Su
invento fue finalmente patentado y comenzó
Los gecos son conocidos por su extraordinaria capacidad trepadora que les permite
correr por la mayoría de las superficies, incluso las verticales, y liberar la adherencia
de sus patas en milisegundos.
La adherencia de los gecos a las superficies
se basa en la presencia de unas fibras microscópicas que cubren la parte inferior de
sus patas. Estas fibras, conocidas como
setae (mostradas de la Figura 2), contienen
queratina hidrofóbica a modo de resorte y
son autolimpiables. Ofrecen la capacidad
de pegarse y despegarse rápidamente y
mantienen el rendimiento durante muchos
meses de uso constante, a menudo en condiciones naturales de limpieza o suciedad
variables.
Figura 3: La hoja del loto (a) tiene una extremada capacidad para repeler el agua y ha inspirado las pinturas
impermeables (b)
Entre las aplicaciones inspiradas por este
efecto se encuentran las pinturas a base de
aerosol, utilizadas en arquitectura, que hacen que una pared exterior sea repelente al
agua y autolimpiable, y las superficies de vidrio para exteriores que incluyen un efecto
de autolimpieza.
Analogías animales
Luz y color
Figura 2: La adherencia de los gecos a las superficies
se basa en fibras microscópicas, conocidas como
setae, en las patas
Las superficies sintéticas que se han diseñado para funcionar de esta forma están en las
primeras fases de desarrollo. Para aplicaciones concretas, la cinta Gecko ofrecerá unas
propiedades de adherencia más eficaces y
apropiadas que los adhesivos convencionales a base de polímeros viscoelásticos.
El desarrollo de aplicaciones con funciones
ópticas mediante la bioinspiración ha ganado fuerza en la última década. Muchos sistemas biológicos han desarrollado distintas
formas de manipular la propagación de la luz
y el color.
(a)
Sembrar la semilla
Aunque los sistemas animales ofrecen un
fuerte potencial de bioinspiración en los
campos tecnológico, industrial y biomédico, las plantas también han sido una valiosa
fuente. Un ejemplo es la hoja del loto y su
extremada capacidad para repeler el agua
(Figura 3a).
La hoja del loto tiene unas protuberancias
microscópicas y unos pelillos nanoscópicos
en una superficie de composición cerosa.
Cuando cae una gota de lluvia sobre la hoja,
forma un ángulo muy elevado de contacto
con la superficie, lo que hace que se cree
una gota esférica (Figura 3b).
Estas gotas tienen menos del 5% de su
superficie en contacto con la hoja y ruedan
por la hoja cuando esta se inclina, ayudadas
por las estructuras superficiales y por el aire
atrapado debajo de la gota. El resultado es
la recogida y retirada de suciedad y bacterias de la superficie de la hoja2.
Figura 1: El Velcro es un ejemplo de diseño bioinspirado
www.academyofvisioncare.es
(b)
de onda y dispersan otras—, mientras que
los sistemas fotónicos manipulan la luz directamente mediante dispersión coherente,
permitiendo que algunas bandas de longitud
de onda se propaguen por el sistema e impidiéndoselo a otras.
La fotónica se basa en principios que permiten la manipulación de la radiación electromagnética cuando interactúa con variaciones periódicas del índice de refracción3.
Sistemas sencillos, como las ranuras de un
CD o los tratamientos antirreflejantesde las
gafas, son ejemplos cotidianos de este fenómeno.
La apariencia visual de muchas especies
animales incluye características ópticas
que son manifiestamente visibles para el
ojo humano y otras que quedan totalmente ocultas más allá de la sensibilidad visual
humana. Esto ha llevado directamente a utilizar la bioinspiración en otra aplicación poco
corriente: los dispositivos antifalsificaciones.
Aunque buena parte del trabajo de desarrollo comercial en esta área sigue siendo un
secreto, la investigación de patentes puede
desvelar cierta información.
(b)
Las bandas que no pueden propagarse se
reflejan, creando o contribuyendo a la apariencia de color del sistema. Ejemplos típicos
son las plumas azules de los pavos reales o
las escamas plateadas de algunos peces.
En ciertas especies de animales y plantas,
la apariencia fotónica de color está muy
desarrollada. Entre ellas se encuentran los
brillantes colores azules iridiscentes de las
mariposas Morpho (Figura 4a). Los intensos
matices y el notable llamativo de esta especie son el resultado de una serie de estructuras de dispersión coherentes dispuestas en
capas que cubren las escamas de sus alas.
Las estructuras en capas y las elevaciones
producen una brillante iridiscencia y también
realzan la visibilidad angular del animal4.
Cosméticos y falsificaciones
Figura 4a: La apariencia fotónica coloreada de las
mariposas Morpho está muy desarrollada e inspira a los
fabricantes de cosméticos
microestructuras y nanoestructuras periódicas, L’Oreal ha avanzado la estética de sus
productos cosméticos utilizando un diseño
inspirado en la naturaleza (Figura 4b).
El diseño de cosméticos se ha inspirado en
las Morpho y otras mariposas. L’Oreal, en
particular, ha sido la primera en utilizar la inspiración bio-óptica en la industria cosmética. Imitando la forma en la que la luz y el color son manipulados por las escamas de la
mariposa Morpho, pero utilizando materiales
sintéticos inertes para formar una serie de
(a)
Figura 4b: L’Oreal ha utilizado la inspiración de los
sistemas fotónicos biológicos para diseñar una serie de
cosméticos fotónicos (imagen cortesía de L’Oreal).
Un diseño bioinspirado específico de logotipo antifalsificación, para usar en formatos
de moneda, se basa en la nanoestructura
fotónica responsable de la apariencia visual
de una mariposa Papilio (Figura 5a).
La mariposa Papilio palinurus es verde al ojo
humano, pero las escamas de sus alas comprenden regiones del tamaño de una micra
de centros yuxtapuestos de color amarillo y
azul5. El ojo humano no puede resolver regiones de centros de color individuales tan
pequeñas, por lo que unos procesos de
mezcla aditiva crean la apariencia de un ala
totalmente verde.
(b)
En estos ejemplos, se observan colores espectrales debido al efecto difractivo de las
ranuras del CD, mientras que en las gafas, el
reflejo de color se observa por la interferencia con su recubrimiento multicapa.
Esta forma de generar color es diferente de
la producida por la absorción de la luz de
los pigmentos o tintes. Esta última es producida por los cromóforos —pigmentos que
absorben selectivamente algunas longitudes
Figura 5 (a) La nanoestructura fotónica de una mariposa Papilio; (b) Un diseño de logotipo antifalsificaciones
www.academyofvisioncare.es
Lejos
Intermedia
Cerca
y limitadas experiencias, sino de millones
de años de evolución de la naturaleza. Los
materiales y tratamientos bioinspirados ya
están abriéndose camino en todos los segmentos de la salud, incluido el cuidado de
la visión.
Corregir la visión mediante lentes de contacto y equiparar la experiencia de uso a las
condiciones naturales puede ser algo que se
consiga con planteamientos bioinspirados.
Figura 6: Crystalens HD de B+L, una LIO óptica acomodativa mejorada diseñada como el cristalino natural
En un análogo sintético, la característica
de seguridad encubierta en el logotipo antifalsificación surge por la naturaleza de la
reflexión de uno de los dos colores individuales (Figura 6). Solo los componentes
del centro de color azul forman una doble
reflexión de la luz incidente de los lados inclinados de cada estructura multicapa. Esto
tiene el efecto de polarizar el reflejo azul y le
confiere una propiedad que está ausente en
el componente amarillo reflejado.
Con fines antifalsificación, las variaciones estructurales sintéticas de este sistema biológico ofrecen distintas ventajas y están actualmente en desarrollo para fabricar avanzadas
aplicaciones relacionadas con la moneda,
como el producto OVD Kinegram mostrado
en la Figura 5b.
Imitación del ojo natural
Los conceptos bioinspirados pueden desempeñar un importante papel en el desarrollo de dispositivos médicos que ofrezcan
a los pacientes productos superiores. En el
campo oftálmico, el diseño de la lente intraocular acomodativa busca imitar el cristalino natural al máximo posible, moviéndose
con el ojo y permitiendo al paciente ver de
cerca, de lejos y a cualquier distancia intermedia con igual claridad. Crystalens HD de
B+L, una LIO con óptica acomodativa mejorada que ofrece a los pacientes lo mejor de
ambos mundos al mejorar la profundidad de
foco, está diseñada como el cristalino natural. El funcionamiento de Crystalens —la forma en que se mueve realmente en el ojo—
es lo más parecido al que cabe esperar del
cristalino natural (Figura 6).
En el campo de las lentes de contacto, los
científicos ya han aplicado la bioinspiración
a los materiales de las lentes de contacto
para imitar las propiedades de la superficie
ocular, y han formulado colirios para aliviar la
deshidratación ocular basándose en la comprensión y la imitación de la fisiología del ojo.
El conocimiento de la película lagrimal humana y de sus componentes también puede inspirar la invención de nuevos diseños
que ofrezcan soluciones óptimas a los usuarios de lentes de contacto. Por ejemplo, hay
proteínas y lípidos en la película lagrimal que
juegan un importante papel en la protección
y lubricación de la córnea y la conjuntiva.
Proteínas tales como la lisozima y la lactoferrina protegen el ojo de forma natural contra
infecciones basándose en sus atributos antimicrobianos.
La lipocalina de las lágrimas es una proteína
que se une a los lípidos y se sabe que evita
la desecación de la superficie corneal. Las
tecnologías que imitan al ojo, al proteger la
estructura y funcionamiento de la lipocalina
de las lágrimas, podrían preservar la homeostasis, un importante factor a tener en
cuenta en la bioinspiración.
El futuro
Mejorar la experiencia de uso de las lentes
de contacto de nuestros clientes es una de
las máximas prioridades para los fabricantes y proveedores de lentes de contacto y
soluciones de manteniemiento. Los departamentos de marketing, I+D y fabricación
buscan constantemente formas de descubrir nuevos diseños para satisfacer esta importante necesidad del cliente.
La naturaleza y el cuerpo humano son maravillosas bases de datos de ideas y conceptos que pueden tomarse prestados. La bioinspiración nos lleva a nuevas direcciones
que no son producto de nuestras propias
Si los polímeros utilizados para fabricar lentes de contacto se obtuvieran de forma natural o si la lente se diseñara de forma tal
que el flujo lagrimal entre la lente y la superficie de la córnea imitara la biología del ojo,
los pacientes podrían colocarse estas lentes y olvidarse enseguida de que las llevan.
Continuarían llevándolas durante todo el día
fueran cuales fueran las condiciones ambientales y sin sentir irritación o molestias.
A medida que los científicos de la salud
ocular profundizan en el conocimiento del
ojo y cómo se mantiene a sí mismo, irán
apareciendo más productos basados en
este órgano milagroso. Llegará el día en que
podamos afirmar rotundamente el éxito de
la bioinspiración para nuestros usuarios de
lentes de contacto.
Bibliografía
1. Sanchez C, Arribart H and Guille MMG. Biomimetism
and bioinspiration as tools for the design of innovative
materials and systems. Nature Materials 2005; 4:4
277-288.
2. Barthlott W and Neinhuis C. The lotus-effect: nature’s
model for self cleaning surfaces. International Textile
Bulletin(2001);1:8-12.
3. Vukusic P and Sambles JR. Photonic structures in
biology. Nature 2003; 424:6950 852-855.
4. Vukusic P, Sambles JR, Lawrence CR and Wootton
RJ. Quantified interference and diffraction in single
Morpho butterfly scales. Proc Roy Soc Lond B
1999;266: 1403-11.
5. Vukusic P, Sambles JR and Lawrence CR. Structural
colour: colour mixing in the wing scales of a butterfly.
Nature 2000;404: 457.
El Dr. Peter Vukusic es profesor adjunto
en la Escuela de Física de la Universidad de
Exeter. El profesor Joe Barr es vicepresi­­
dente de Global Clinical and Medical Affairs
y de Professional Services (Vision Care) de
Bausch + Lomb.
Publicado por primera vez en Optician el 9 de abril de 2010
®/™ indican marcas comerciales de Bausch & Lomb Incorporated
www.academyofvisioncare.es