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NATURA, DISSENY I INNOVACIÓ,
1994
Creación de forma y biónica: diseño biológicoIntroducción
En esta primera exposición se mostrará hasta qué punto el concepto
de «diseño biológico» juega un importante papel en la biología y en la técnica
fijada por el diseño, y, además, intentaré establecer las interrelaciones que
existen entre el mundo de la biología y de la técnica. Con este fin, serán
expuestas diez tesis con sus ejemplos complementarios.
1. El concepto de diseño puede ser
análogo al concepto de diseño técnico en la biología
La palabra «diseño» viene del verbo latino designare (designar). Por diseño se pueden entender conceptos como proyecto, muestra, plano, modelo, o la cooperación del artista en la creación de una forma. Pero la formulación más acertada, según mi criterio, es: «la creación del producto en el campo de una estética práctica», esta última encontrada por la Escuela Superior de Diseño de Ulm. Conforme con esto, tenemos que el diseño se realiza con el
proyecto y creación de un producto, en tanto que los aspectos prácticos y estéticos
juegan un papel muy importante.
Para los productos de la biología no tenemos un diseñador
conocido, pero, con todo, corresponde a la evolución (desarrollo de la tribu o
grupo) y a la ontogénesis (desarrollo individual) dar una forma a los animales
y plantas y darles un concepto de diseño. Por este motivo podemos también
hablar de diseño biológico y decir que su concepto de diseño puede ser análogo
al concepto de diseño. Una excepción supondría el aspecto estético: la biología
puede hacer afirmaciones hacia los conceptos de las ciencias naturales como la
forma o la función, pero no puede hacerlas cuando se trata de conceptos fuera
de este campo, como podría ser la estética.
Hecha una introducción, podríamos ahora dar una definición de lo
que es en sí la biología. Por diseño biológico se entiende la creación orgánica
de la forma en el campo de acción de las diferentes exigencias funcionales en
la filogénesis y la ontogénesis.
Es muy importante que todos los procesos de
formación que marcan las formas orgánicas puedan estar también influidos por
requisitos funcionales y que éstos sean, a su vez, diferentes y muchas veces
contrapuestos o contrarios. Por esta razón, una forma biológica siempre
describirá un «diseño de compromiso», y no se puede permitir un fin en sí o una
autointerpretación «lujosa». Naturalmente, muchas veces percibimos el diseño
biológico como «majo». Esta calidad estética aparece en el espectador como
consecuencia secundaria del proceso de reconocimiento. Pero ésta no puede ser
más que un parámetro clarificador. Las ciencias naturales pueden intentar
explicar la forma a través de la coordinación de requisitos funcionales
fácilmente reconocidos. De esto se pueden establecer las interrelaciones entre
el mundo de la técnica y el mundo de las formas animadas. ¿De qué tipo son?
2. La biología técnica y la biónica se complementan como la imagen
y su reflejo
La biología técnica intenta entender y describir mejor las construcciones y tipos de procedimientos del mundo animado a través de la aportación del saber físico y técnico. La biónica se basa en los criterios de la biología técnica. Intenta tomarlo como sugerencia para otras creaciones técnicas propias. Las creaciones propias deberán cumplir, sin embargo, unas leyes, de acuerdo con los tipos de procedimiento acreditado de la ingeniería. Una copia natural pura sería una charlatanería no-científica. Ejemplo: la piel de culebra y la
estructura-capa del esquí de fondo.
Las escamas abdominales del grupo de
culebras sudamericanas Leimadorpbys (cuyos representantes se arrastran
por la tierra del bosque húmedo, por el movimiento peristáltico hacia delante y
atrás de su piel de escamas) tienen en uno de sus costados una estructura
de escamas particularmente parabólica. A través del saber técnico y físico básico
(biología técnica) de los efectos de la fricción, se puede aclarar la
estructura de las escamas y dar una función a la morfología de las mismas. Las
escamas son «generadoras de fricción dependientes de la dirección». Con ellas
la culebra se desplaza perfectamente hacia delante, pero no hacia atrás. El
traslado de este principio a la técnica (biónica) nos ha hecho pensar en la
capa del esquí de fondo, aunque ésta es técnicamente más sencilla. Ésta no
dificulta el deslizamiento hacia delante, pero ahorra al esquiador de fondo
tener que retroceder en una pendiente (fig. 1).
 1. Ejemplo del procedimiento de trabajo de la técnica biológica y la biónica. 3. El organismo forma un todo funcional Forma y función se unen de manera inseparable en un organismo. Uno condiciona al otro. Pocas veces se puede decir qué es lo que ha tenido más fuerza a la hora de dar la forma; si la forma se ha creado como respuesta de requisitos funcionales o si el organismo es el que ha comenzado a usar una forma ya dada en vista a una función conveniente. Ejemplo: la cochinilla. La cochinilla Arniadillium vulgare parece un insecto normal cuando se arrastra. En caso de peligro puede enroscarse como una pequeña bola —del tamaño de un guisante— impenetrable. La adaptación es tan detallada y precisa que el abdomen y las antenas del animal encuentran el lugar ya previsto. De esta manera el animal es inabarcable, y delante de un enemigo se enrosca. En una situación normal, las diferentes partes que se pueden enroscar y que transfiguran al animal en una bola-concha tienen funciones «normales» y diversas (fig. 2). De una forma semejante funcionan las partes de la cabeza de la termita Paracryptocercus. Con las cabezas, los «soldados» de esta familia cierran desde dentro la entrada construida.  2. Cochinilla Armadillium, vista de frente. Soldado-termita Paracryptocercus. 4. Las construcciones biológicas siguen
el principio del tipo de construcción altamente integradora
Al contrario de la técnica, la biología pocas veces construye a partir de partes individuales, acabadas por separado y combinadas posteriormente. Muy a menudo, casi regularmente, los elementos constituyentes de la forma se crean por la adaptación y el ajuste y se funden lentamente en un todo integrado. Encontramos ejemplos muy interesantes al respecto en el mundo de los insectos y también las chinches. Ejemplo: bomba segregadora de Dolycoris.
Las chinches pican a sus presas, inyectándoles una secreción mediante el piquete. Esta sustancia impide que el líquido chupado en la punción se coagule, evitando así la obstrucción del canal de absorción. Para esto usan una diminuta (2/10 mm) pero eficaz bomba segregadora. La bomba segregadora dispone de todos aquellos elementos «técnicamente necesarios» como el espádix, cilindros o ventiladores. Pero los elementos no se pueden delimitar totalmente entre sí. En una configuración en que los elementos estén totalmente integrados, la bomba segregadora crea un diseño funcional en un tipo de construcción altamente integradora (fig. 3).  3. Bomba segregadora de la chinche Dolycoris baccarum. 5. El organismo
compensa cargas perjudiciales
Las fuerzas interiores y exteriores influyen en cada organismo. Algunas fuerzas son «deseadas» y en consecuencia utilizadas. Como ejemplo tenemos el uso de las diferentes formas de fricción de la culebra Leimadorphys al arrastrarse. Otras fuerzas son «no deseadas». Esta pueden, por ejemplo, sobrecargar las propiedades de soporte del organismo. En caso de que el organismo no se desprenda de estas fuerzas, lo que hace es intentar recompensar sus repercusiones negativas. Ejemplo: rotura de la copa de un árbol y aminoración de la tensión del tronco mediante el crecimiento compensativo. Imaginemos que un árbol pierde su copa por un rayo, y sólo le queda viva una rama lateral maciza. Mediante su centro de gravedad, la masa de gravedad (G) produce una importante fuerza de flexión B = M I en la rama. Esta fuerza no se puede compensar mediante fuerzas contrarias del árbol (como era el caso antes de ser herido por el rayo) y supone una fuerte carga para el tronco. El árbol regula esta falta de compensación de fuerzas provocando que con el paso del tiempo la rama vaya creciendo torcida por encima del tronco. Si el centro de gravedad se sitúa por encima del tronco, entonces la distancia y, por lo tanto, la fuerza de flexión resultan igual a cero (fig. 4). La carga excéntrica y perjudicial ha desaparecido.  4. Una carga excéntrica después de un accidente en un árbol regresa a su orden normal. 6. El tamaño absoluto
de un organismo determina su diseño estático
Para la configuración externa —y aún más para la interna (esqueleto, peso) — es importante el tamaño del animal. Los animales grandes, observados estadísticamente, tienen más problemas que los pequeños. La gran medida de su exterior ha de aumentar mucho más que su largo. De esta manera el esqueleto del animal es más duro y resistente. En el caso de los animales de grandes dimensiones, su aspecto repercute visiblemente en su forma externa y en la impresión que tendrá el observador. Debido a las fuerzas de gravedad de la tierra, los animales más grandes que los dinosaurios conocidos no podrían sobrevivir nunca, A pesar de sus esqueletos enormes, su sistema desaparecería bajo la influencia de su propio peso. Ejemplo: las proporciones del esqueleto. En un clásico de la literatura biológica de Hesse y Doflein, publicado por primera vez en 1919, encontramos el dibujo de un hipopótamo y un conejo de Noruega del mismo tamaño (fig. 5). A primera vista, podemos ver que el hipopótamo es más pesado que el conejo de Noruega. Esto es así porque el diámetro (D) del hueso no aumenta según el largo (l.) del cuerpo o con el mismo largo del hueso (D L). Lo hace según la relación entre DLLL1,50. Después de muchas pruebas se ha llegado a esta conclusión. Dentro de la familia de los antílopes el exponente encontrado empíricamente para el hueso del antebrazo llega al 1,52.  5. Diferentes grados de masa del esquelet0 en animales grandes y pequeños, dibujados a escala similar. 7. El organismo entra en contacto con
el medio ambiente
El medio ambiente marca el diseño del organismo, diseño de lo más importante. Esto no sucede de manera directa. Las propiedades del organismo ganadas al ambiente no se transmiten (lamarekismo). La evolución depende más de amplias paletas de cambios pequeños y espontáneos, de modo que, ante los cambios en las condiciones del medio ambiente, siempre habrá seres que por sus óptimas condiciones físicas tendrán más posibilidades de sobrevivir y de reproducirse. De esta manera, se llenan los «nichos ecológicos». Los nichos ecológicos son también físicos.
Las condiciones del entorno también son determinadas por leyes físicas. Se
tiene también la sensación de que la configuración usara los «nichos físicos»:
la forma física adecuada respectivamente se confunde.
Ejemplo: formas de las alas de los insectos. Ya hemos explicado que los animales pequeños están, en comparación con los grandes, sometidos a otros condicionantes estáticos. Del mismo modo podemos decir que el aire ofrece otras condiciones de firmeza a los animales pequeños. Cuanto más pequeño sea un insecto y más lentamente vuele, más resistente le resulta el aire. Los insectos más pequeños «reman» por el aire como «pulgas de agua» de diferentes resistencias. La forma de las alas se adapta de acuerdo
con las propiedades del estado del aire. Se habla de su dependencia con el
número de Reynolds (RE) de la forma biológica. El número de Reynolds
corresponde al largo (L) del cuerpo y velocidad (V) de las alas del animal observado, así como
la capacidad del aire, su capacidad cinética. La relación es: RE = VLA El
número más pequeño de Reynolds caracterizará a los animales voladores más
pequeños, más lentos.
En números altos de RE, las alas perfiladas
y torneadas son físicamente más apropiadas (alas de pájaros). En números
medianos de RE, son más apropiadas las alas no tan torneadas, sino las formadas
por capas más planas y alargadas (alas de libélulas y moscas). Los insectos más
pequeños, con alas de un largo de tan sólo unos cuantos milímetros (escarabajos
o mosquitos inofensivos, con un largo de alas no superior a unas décimas de
milímetro) que no disponen de los dos tipos de alas mencionadas, tienen alas de
cerda de seda.
La naturaleza se adapta perfectamente y con
mucha precisión a las condiciones ambientales, en que se desarrollará el diseño
del ala (en el caso que estudiamos dentro del ámbito de medición de Reynolds)
(fig. 6).
 6. En números pequeños de Reynolds, encontramos alas perfiladas y torneadas (pájaros) y alas de cerda de seda (tipo de insecto, y otros insectos pequeños). Cada diseño de ala trabaja en «su campo de número de Reynolds» (cuadro negro) según le sea mas conveniente. 8. Una forma ha de
satisfacer múltiples exigencias
Hemos definido el diseño biológico como la configuración orgánica que se ajusta en el campo de la fuerza de los diferentes requisitos funcionales. Hay muchos y diversos requisitos, y éstos pueden actuar tanto de manera negativa como positiva. Muchas veces son contrapuestos. Así, la cerda de un jabalí ha de ser larga, como «aparato de lucha», y a la vez flexible. Una cerda larga es más fuerte para la lucha, pero es más flexible una corta. En alguna parte encontraremos un compromiso que provocará la configuración de la imagen. Cada uno de los diseños biológicos es, finalmente, una forma de compromiso en el terreno de fuerza de docenas de estas condiciones del entorno. Ejemplo: cáscaras de los huevos de la mosca azul. Las cáscaras de los huevos de las crías de mosca han de ser ligeras para que en un mismo uso de material puedan ser producidos muchos huevos. Han de ser elásticas para así soportar diferentes formas. También han de hacer posible el intercambio de gases, de la misma manera como lo hace cualquier otra textura, para dejar pasar el oxígeno del aire exterior y el bióxido de carbono producido en el interior. Y, finalmente, han de ser impermeables a las gotas de agua, y hacer posible el intercambio de vapor de agua. Se podrían formular muchos otros condicionantes de la cáscara del huevo de una mosca. En el campo de acción de estas diversas y a
veces contradictorias condiciones (ligereza de construcción, estabilidad,
resistencia al gas e impermeabilidad, etc.), la naturaleza ha dado apoyo
mediante una sustancia de quitina formada por unos tentáculos múltiples y una
cáscara que, a través de sus estructuras, hace que se desvíe el agua hacia las
esquinas (fig. 7a). De la misma manera tan compleja, el jabalí combina
la ligereza y la estabilidad (fig. 7b).
 7. Cáscaras de huevo de la mosca azul Calliphora spp. Muestran el «diseño de compromiso» con sus maravillosas estructuras de quitina, las cuales, a veces contradictorias, llegan a armonizar. 9. El organismo entra en contacto con otros organismos
Aquí topa diseño contra diseño, dado que las formaciones constructivas participan perfectamente en el conjunto por lo que hace a su tarea funcional, aunque este contacto sólo aparezca una vez en la vida de dos organismos. Los ejemplos más representativos se dan en el terreno de los órganos genitales o de otros órganos similares, los cuales juegan un papel muy importante en el campo de la actitud de fecundación. De este último caso hemos extraído el ejemplo. Ejemplo: impedimento del movimiento de las tenazas en la cópula de tas arañas. Las arañas macho corren mucho peligro en la cópula. Las arañas hembra (normalmente mucho más grandes) frecuentemente los ven como objeto de ataque y los embisten con sus tenazas. En este caso, los machos han de evitar el ataque de las hembras hasta que la pareja de la cópula sea dócil gracias a las diferentes técnicas empleadas. Una posibilidad de defensa muy útil es la de inmovilizar las armas de ataque de las hembras. En las arañas del tipo Pachygnatha
clerekii los machos cuentan con un diseño especializado de tenazas. Éstas
encajan en una configuración geométrica, y tienen garras en la parte inferior
de la pata, muy largas y articuladas en las terminaciones. En la aproximación,
el macho ataca las tenazas de la hembra, atrapándolas entre sus miembros e
inmovilizando así las terminaciones, usando sus propias tenazas para atraparla.
Existe un gran número de mecanismos de
cópula dentro del reino animal.
 8. El macho de la araña Pachygnatha clerckii inmoviliza, antes de lacópula, las tenazas de la hembra, usando las suyas. Los diseños de ambas tenazas se detallan. 10. El organismo vive sometido al dilema energético. Por todos lados hay que ahorrar energía Se puede decir que cuando un organismo no
cuida la energía que lo rodea, no es capaz tampoco de vivir o de sobrevivir. La
energía disponible es limitada. También podemos decir que el rendimiento a
aportar (energía por tiempo, medida en joules por segundo = vatio) es limitado.
Si una hembra de pájaro tiene que invertir un gran rendimiento de vuelo para
alimentarse en un día normal de primavera (puede ser porque sus alas no tienen
una forma aerodinámicamente óptima), resulta que en este intervalo de tiempo
dispone de menos energía para la síntesis de sus huevos, y eso repercute
negativamente en su reproducción.
Todos los procesos biológicos están
optimizados energéticamente hasta el último detalle. (De la estrategia natural
de cada proceso biológico, ahorrar tanta energía como sea posible, las
civilizaciones humanas podrían tomar ejemplo.) Y con esto todas las
adaptaciones discutidas hasta ahora supondrían la suma de un balance positivo
de energía. Un diseño biológico también participaría en el uso de la energía
partiendo de la base del hecho de ahorrar.
Ejemplo: una configuración ideal ahorra energía de movimiento. Los caballos y otros mamíferos rápidos como las gacelas tienen la zona pélvica muy desarrollada y, por el contrario, la configuración de sus patas es tan delicada que a veces tenemos la sensación de que son hechas de tan sólo hueso y piel. La mayoría de los músculos de movimiento se
hallan situados en la parte superior, cerca del punto de rotación, y trasladan
así los puntos de fijación del movimiento de fuerza (ataque) a sus tendones,
que son más largos en la parte inferior, aumentando así su potencia.
Cuanto más desarrollada sea la masa
muscular de la pierna, más energía se ha de utilizar en cada paso, cuando de la
postura de descanso se ha de acelerar de nuevo. Un equivalente a este uso de la
energía sería el momento del peso de la pierna (se calcula como la suma de
todos los productos de las unidades de masa |M| y de las potencias de las
distancias de rotación (r¡2) con respeto al eje de giro.
Si los músculos estuvieran repartidos por toda la pierna, el momento del peso
de la pierna sería muy grande, dado que los valores de r¡2
son muy elevados. Pero así el momento de masa de la pierna se mantiene bajo,
dado que la disposición de los músculos cerca del eje de giro mantiene bajos
los valores de r¡2. Luego la capacidad de aceleración
disminuye, y con esto, la capacidad de movimiento en general. De esta
manera, por unidad de tiempo, habrá un mayor excedente de energía, disponible
para otros procesos biológicos.
Los elementos de construcción necesarios
para llevar a cabo esta táctica, eso es, el tendón alargado, ligero y
resistente, se han desarrollado de una manera ideal por la naturaleza. Para la
configuración de la pata del caballo, también se aplica el principio ya
mencionado del tendón. Así, pues, se dispone de otra ventaja: en los tendones
estirados, se puede almacenar energía. De esta manera una buena parte de la
energía aplicada a la pata del caballo en movimiento puede ser almacenada en el
tendón, y así estará disponible para la siguiente fase de movimiento. Este
«truco» también ahorra energía (fig. 9).
 9. El principio de las tendones posibilita la acumulación de la masa de l0s músculos de impulso cerca del punto giratorio. Mediante el aminoramiento del momento de carga de peso, se ahorra energia para el impulso. Conclusiones
Se ha intentado, a partir de la redacción de diez tesis y su complementaron a través de ejemplos, desarrollar la definición del concepto de diseño en un ambiente empírico, teniendo en cuenta las formas biológicas. El «diseño» es un concepto definido técnica
y artísticamente: esto es, no es un concepto biológico. Para la descripción de
las formas desde el punto de vista filogenético y ontogenético, los biólogos se
ayudan de las disciplinas clásicas, como la morfología o la morfología
funcional.
Bajo esta perspectiva, la aplicación del
concepto de diseño al mundo animado de la biología no aporta un valor
especialmente innovador.
El concepto de diseño se puede aplicar
análogamente al mundo de la técnica. De esta manera se intentará que las
disciplinas técnicas, artísticas y artesanales sigan el ejemplo y vayan más
allá de su propio campo.
Así, se pueden distinguir puntos en común.
Definitivamente, del canon de formas de la naturaleza podemos aprender todavía
mucho más, sobre todo en el mundo práctico del diseño.
Nadie jamás copiará la naturaleza de manera
subyugada. Partiendo de la base de una biónica y una técnica bien entendidas,
la naturaleza es una gran fuente de inspiración. Esta orientación hará que la
técnica de la humanidad se convierta en una técnica para la humanidad.
El estudio de las «construcciones de la
vida» y de la «fantasía de la creación» puede ser, en términos generales, muy
significativa para un ejercicio de creatividad biónica, y conducir así a una
actitud anímica que permita, por un lado, la contemplación de la vida y, por
otro lado, reconducir la actitud interna de la humanidad frente al ambiente,
sea biológico o no.
|
Sobre l'autor
WERNER NACHTIGALL
Doctor en Biologia. Director de
l'Institut Zoològic de la
Universitat de Saarland i de la Societat per a la Biologia Tècnica
i Biònica de Saarbrucken.
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