Estructuras biónicas: de tallos a rascacielos Understand article

Traducido por Adela Calvente. Tanto una hoja de hierba como una torre alta necesitan elevarse contra las fuerzas que tratan de nivelarlos. ¿Existen algunos principios de diseño que puedan utilizar para alcanzarlo?

¿Qué tienen en común la Torre Eiffel y un tallo de trigo? Desde luego no su escala, pero si miramos en detalle en su estructura, tienen muchas cosas en común. La icónica estructura de Gustave Eiffel marcó la nueva era del hierro como material de construcción y tuvo éxito porque fue capaz de realizar una estructura que era fuerte a la vez que ligera. Igual que la torre, el tallo del trigo necesita mantenerse erguido a pesar del viento y de las inclemencias del tiempo, usando a su vez los materiales mínimos. La solución del diseño en ambos casos es la misma: la estructura subyacente es hueca y tubular en vez de sólida, resistiendo la mayor parte de la fuerza sin la mayor parte del peso.

Los tallos de trigo no son los únicos en proporcionar una solución natural inteligente a un problema de ingeniería. De hecho, ésta es ahora un área de estudio con nombre propio: construcciones biónicas.

La propuesta del Pabellón de Sostenibilidad para la Expo Mundial 2020, Dubai. Inspirado en la forma y función de las plantas, la estructura del pabellón está diseñada para capturar la energía de la luz solar y el agua de la humedad del aire.
Imagen cortesía de arquitectos Grimshaw

Qué es una construcción biónica?

La construcción biónica es un rama de la ciencia de la biónica. Su principal función es identificar estructuras y procesos en los sistemas biológicos que pueden ser aplicados de forma útil para construcciones de ingeniería. Su objetivo es reducir la cantidad de materiales y energía utilizados, creando así principios de diseño más sostenibles, una ambición muy del siglo XXI. 

En las construcciones biónicas, las construcciones ligeras de la naturaleza sirven como inspiración para soluciones técnicas. Precisamente como fue construida la Torre Eiffel, usando los principios de los tubos huecos (igual que algunos huesos del cuerpo humano), las estructuras biológicas pueden aportar modelos para el desarrollo de nuevos materiales y diseños de edificios.

Gramíneas: fuerza a través de la estructura

La familia de las gramíneas (Poaceae, anteriormente Graminaceae) tiene mucho que ofrecer a las construcciones biónicas, con su largo y fino tallo que combina alta resistencia a doblarse y romperse con un uso mínimo de material. Merece la pena mirar de cerca como las gramíneas lo consiguen. 

Figura 1: Imagen microscópica de una sección trasversal de un tallo de trigo.
A: esclerénquima; B: tejido vascular; C: parénquima
Imagen cortesía de Sabrina Pulka

Al ver una sección transversal de un tallo de trigo (Triticum spp.) bajo el microscopio se descubre la explicación de la resistencia mecánica que tiene este miembro de la familia de las Gramíneas (Speck & Speck, 2006). Una capa externa de tejido duro, lignificado (leñoso) denominado esclerénquima, es reforzado en el interior por la presión de otros tejidos como el tejido vascular o el parénquima (figura 1). La estructura completa forma un cilindro, con el tejido más robusto en el exterior.

Pero el plan tiene otra fuente secreta de fuerza: detrás de la pared exterior del tallo hay un material compuesto de fibra. Fibras lignificadas son embebidas en los tejidos interiores más suaves, formando un material comparable a estructuras de hormigón armado (un material compuesto fabricado a partir de una matriz de hormigón reforzado con mallas de acero)

Sin embargo, esta combinación de diferentes materiales aumenta el riesgo de que fuerzas intensas, como por ejemplo vientos fuertes, puedan romper el tallo y separar una capa de la otra a medida que el tallo se dobla. Esta es la razón por la cual la pared interna del tallo se construye en forma de gradientes, en las cuales diferentes propiedades, como el tamaño de la celda y el grosor de la pared celular, cambian gradualmente y se unen entre sí de forma fluida, haciendo que el material compuesto sea más estable (figure 1).

Bambú: construcción con hierba

Por supuesto, el miembro de la familia de las gramíneas que más rápidamente pensamos como útil en la construcción es el bambú. En Asia, el bambú es a menudo usado como un material de construcción o como andamio, incluso para algunos edificios de gran altura, debido a sus excelentes propiedades mecánicas.

Aunque las plantas de bambú (subfamilia: Bambusoideae) son gramíneas, su tamaño es una excepción. Algunas especies, como el bambú gigante (Dendrocalamus giganteus) puede alcanzar los 30m de altura, creciendo hasta 1 m al día. Sin embargo, su estructura es similar a la de muchas otras plantas: tienen raíces, tallo, hojas y flores.

Figura 2: Estructura de una planta de bambú (izquierda); sección longotudinal de un tallo de bambú gigante (derecha).
A: nudo; B: floración; C: hojas; D: raíz
Imagen cortesía de Sabrina Pulka
 

Como otras gramíneas, el bambú tiene un tallo cilíndrico hueco, con nudos (o lazos) a lo largo de su estructura (figura 2). Esos nudos, que dividen el tronco en segmentos, consisten en paredes endurecidas que se extienden hacia el interior del tallo. Los nudos fortalecen la estructura, evitando que colapse por una fuerza lateral. Si el tallo fuera un tubo completamente hueco, cualquier presión lateral causaría en primer lugar que tomara forma oval y luego se aplanara completamente; la parte plana podría entonces doblarse y arrugarse.  Los nudos proporcionan apoyo frente la presión que ejerce la fuerza aplicada (Mattheck, 2004; Speck & Speck, 2006).

La Torre Biónica de Shanghai

La propuesta de la Torre
Biónica en Shanghai, China;
una construcción biónica del
futuro?

Imagen cortesía de Eloy Celaya
/ © Eloy Celaya

Un proyecto de arquitectura futurista que toma su inspiración de la naturaleza hasta un punto extremo es la propuesta «Torre Biónica» de Shangai, China. Si se construye, esta construcción visionaria sería sobradamente el edificio más alto en el mundo, con 1228 m de alto y 300 pisos de altura. El diseño tiene como objetivo copiar estructuras encontradas en la naturaleza (no sólo para la torre en sí, sino también para sus cimientos. Una amplia red de anclajes, imitando raíces de árboles, reemplazaría a los cimientos convencionales con el objetivo de proporcionar una mejor protección frente a terremotos y fuerzas trasversales derivadas de fuertes vientos.

De acuerdo con el arquitecto Eloy Celaya, la extrema altura del edificio considera la naturaleza de otra manera: proporcionando espacio habitable para 100.000 habitantes sobre una base compacta con un área de tan sólo 166 m x 133 m. Dicha torre podría reducir la cantidad de tierra necesaria para acomodar una población mundial creciente, potencialmente permitiría preservar más espacio de las áreas naturales del mundo.

Construcción biónica en clase

aula sobre construcciones biónicas, la cuales son realizables por estudiantes que estén al final de escuela primaria o principio de la secundaria. Estos experimentos ayudan a los estudiantes a descubrir por sí mismo los principios del diseño discutidos en este artículo. Las hojas de trabajo y las instrucciones para los profesores se pueden descargar de la sección de material adicionalw1.

En la primera actividad (probando la estabilidad del bambú y la madera), los estudiantes comparan la fuerza y rigidez de la madera sólida y del bambú al ir cargando cada vez mayor peso en palos de cada uno de los materiales y midiendo después su desviación. Los estudiantes descubrirán que un palo de bambú hueco se deforma menos que un palo de madera sólida.

En la segunda actividad (cuerdas y cilindros), los estudiantes investigan porqué el bambú es tan fuerte y rígido observando una sección longitudinal de una caña de bambú que muestra los nudos y los entrenudos. A continuación, investigarán cómo los nudos añaden fuerza a toda la caña mediante el uso de tiras de papel pegadas en el interior de un tubo de cartón. 

Estas simples demostraciones pueden dan paso a posteriores investigaciones o discusiones sobre las construcciones biónicas, quizá enfocándose en la fantasía de la Torre Biónica o en otro tipo de estructuras arquitectónicas biónicas futuristas.

Download

Download this article as a PDF

References

  • Mattheck JK (2004) Das [Wohn-] Hochhaus. Hochhaus und Stadt (Edificio residencial: Edificios altos y la ciudad). Vienna, Austria: Springer-Verlag

  • Speck O, Speck T (2006) Eine Fundgrube für die Bionik – Wunderwelt Pflanzen. (Un tesoro para la biónica: maravillosas plantas). In Büchel G, Malik F (eds) Faszination Bionik: Die Intelligenz der Schöpfung  (Fascinante biónica: la inteligencia de la creación) pp. 322-335. München, Germany: Bionik Media

Web References

  • w1 – Descarga las actividades de apoyo en clase en la sección de material adicional.

Resources

Author(s)

El catedrático Class Wegner es profesor de Biología y educación física en una escuela secundaria y es docente del departamento de Biología en la Universidad de Bielefeld, en Alemania, donde además es catedrático de didáctica de la Biología.

Lea Minnaert completó su grado en enseñanza en Biología e Inglés en la Universidad de Bielefeld y actualmente enseña en una escuela secundaría.

Sabrina Pulka completó su grado en enseñanza en Bioloía y Química en la Universidad de Bielefeld y ahora enseña en una escuela secundaria.

Stephanie Ohlberger estudió Biología e Inglés para escuelas secundarias y actualmente es estudiante de doctorado en la Universidad de Bielefeld, trabajando como profesor bilingüe de Biología.


Review

¡Qué gran manera de introducir algunas ideas inter-curriculares (trasversales)  y de entusiasmar a los estudiantes sobre la biología de plantas y la ingeniería! La idea de que edificios del futuro podrían estar inspirados en el conocimiento y entendimiento de la estructura y función de las plantas, podría ayudar a aumentar la visión sobre estudios relacionados con ciencia (desde botánica a arquitectura) en la mente de los estudiantes.

El artículo no sólo  puede ser usada como lectura de fondo y ejercicio de comprensión, sino que las dos actividades sugeridas para clase permiten a los estudiantes experimentar con algunas de esas ideas. Ninguna de las actividades requiere un gran equipamiento especializado, y sin embargo, ambas dan a los estudiantes la oportunidad de investigar materiales por ellos mismos y practicar con algunas construcciones elementales. Las actividades pueden extenderse hasta formar proyectos más amplios, quizá para una feria de ciencias o una investigación STEM (science, technology, engineering and mathematics / ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas)

Algunas preguntas sobre el artículo podrían ser:

  • El artículo explica que una construcción biónica es una rama de la ciencia de la biónica. ¿Qué otras ramas de la biónica podría haber?
  • En el artículo se describen dos ejemplo de la familia de las gramíneas, el trigo y el bambú
  1. ¿Por qué lo miembros de la familia de las gramíneas son particularmente útiles para las construcciones biónicas?

  2. ¿Cuántas otras plantas puedes nombrar que pertenezcan a la familia de las gramíneas?

  3. Las gramíneas son monocotiledóneas. ¿Qué significa «monocotiledónea»?

  • El artículo sugiere que  los vientos podrían doblar los materiales con los que se forma el tallo de trigo. ¿Qué fuerzas estarían implicadas cuando actúa el viendo sobre el tallo de trigo?


Dr Sue Howarth, Reino Unido




License

CC-BY