Desde velcro hasta trenes bala, la naturaleza ha inspirado algunas de las hazañas más impresionantes de la innovación humana. Este verano, un robot submarino parecido a un cangrejo, desarrollado por científicos coreanos, buscará artefactos antiguos en el Mar Amarillo. Los drones imitan los movimientos de vuelo de las aves y las abejas. Y, nuestro futuro biomimético se ve brillante.
Un puñado de investigadores ahora está siguiendo los pasos de una nueva creación: la piel sintética.
Los animales marinos usan su piel para ayudar a navegar y sobrevivir a su entorno. Los delfines que viven en aguas frías en realidad tienen una piel gruesa para aislar sus cuerpos y mantenerse calientes. La piel forrada con ventosas de los pulpos no solo contiene millones de nervios que los ayudan a sentir y atrapar a las presas, sino que también está incrustada con células únicas que cambian de color que pueden hacerlas invisibles para los depredadores. Los bultos en la piel que recubren las aletas pectorales de las ballenas jorobadas aumentan la flotabilidad del animal. Entonces, los científicos ven potencial.
Utilizando la tecnología de impresión 3D y modelado por computadora, los investigadores están desarrollando piel de animal marino artificial pero realista para usar en todo, desde manijas de puertas antimicrobianas hasta robots submarinos. George Lauder, un ictiólogo de la Universidad de Harvard en Boston, y su equipo han desarrollado la primera piel de tiburón artificial con la ayuda de una impresora 3D de alta gama.
Los intentos anteriores involucraron moldes de goma y tela, y los investigadores lucharon por fabricar material con componentes blandos y duros. Los trajes de baño inspirados en la piel de tiburón impresionaron en los Juegos Olímpicos de 2008, pero el equipo de investigación de Lauder descubrió que el material en trajes como el Fastskin II de Speedo realmente no imita la piel de tiburón ni reduce el arrastre, porque carece de dentículos.
Los tiburones pueden nadar a gran velocidad a través de las aguas del océano gracias a los pequeños dentículos en forma de diente que cubren su piel sedosa. "Eso resulta ser una característica muy crítica del rendimiento de la piel de tiburón durante la natación", dice Lauder. Uno pensaría que una piel más lisa es mejor para la velocidad. Pero, agrega, "en realidad es bueno ser áspero, tener una superficie áspera de cierto tipo cuando quieres moverte a través de un ambiente fluido, agua o aire, de la manera más eficiente posible".
Usando un escáner micro-CT, el equipo de Lauder escaneó la piel real del tiburón mako. A partir del escaneo, crearon un modelo 3D y lo enviaron a una impresora 3D, que hizo un material plástico polimérico con una base blanda cubierta de estructuras duras como dentículos. El producto final tiene la sensación de papel de lija de piel de tiburón. En un tanque en su laboratorio, los investigadores probaron la piel artificial y descubrieron que aumentaba la velocidad en un 6.6 por ciento y reducía el gasto de energía en un 5.9 por ciento en comparación con una aleta plástica lisa sin dentículos.
Una imagen muy ampliada de los patrones de dentículos encontrados en la cabeza de un tiburón mako. (Imagen: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver y George Lauder) 
Los dentículos en la cabeza de un tiburón. (Imagen: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver y George Lauder) Dentículos de aleta de tiburón (Imagen: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver y George Lauder) 
Patrones de dentículos en el tronco de un tiburón mako (Imagen: Johannes Oeffner, Li Wen, James Weaver y George Lauder) "Si pudieras hacer un traje de baño que tuviera la estructura de dentículos o escamas de piel de tiburón en una superficie flexible que pudieras usar y fuera relativamente como un traje de neopreno de cuerpo completo, realmente mejoraría tu rendimiento de natación", dice Lauder. Pero, este nuevo material no está listo para el horario estelar. "Sería muy, muy desafiante en este momento incorporar este tipo de estructura en cualquier tipo de tejido", agrega. Es una hazaña para la próxima década.
Un material similar a la piel de un tiburón también podría servir como una línea de defensa contra la bioincrustación o la acumulación de algas y percebes en el fondo de los barcos. La mayoría de las pinturas antiincrustantes son tóxicas, por lo que la piel de tiburón artificial podría proporcionar una alternativa ecológica. En 2005, los investigadores en Alemania desarrollaron un material de silicona, inspirado en la piel de tiburón, que redujo el asentamiento de percebes en un 67 por ciento. Luego, en 2008, el ingeniero Anthony Brennan adoptó un enfoque similar, creando un material llamado Sharklet que tiene una textura similar a la dentícula y evita el 85 por ciento de la adhesión normal de algas en superficies lisas. Sharklet también se ha aplicado a dispositivos médicos y superficies hospitalarias. En los hospitales e incluso en los baños públicos, las bacterias pueden propagarse fácilmente de una persona a otra, por lo que recubrir estas perillas y equipos en un material que resista las bacterias podría reducir las infecciones.
Los investigadores de la Universidad de Duke en Carolina del Norte también desarrollaron un material antiincrustante que se retuerce o se arruga como la piel de un animal (en este caso, un caballo que se mueve al tocar una mosca podría ser la mejor analogía) cuando se estimula. Otro grupo en el Imperial College de Londres está tratando de crear un material de tubería forrado con protuberancias microscópicas y productos químicos que repelen el agua, inspirado en la piel de delfín.
Desde una perspectiva de diseño, la piel de tiburón también podría usarse para hacer que las alas de los aviones sean más eficientes energéticamente, una aplicación que Lauder considera útil en el futuro. Agregar estructuras similares a la dentícula a los planos podría reducir la resistencia. En líneas similares, las aletas pectorales de ballenas ya han inspirado los diseños de alas de helicópteros.
Quizás el uso más emocionante de estos materiales, sin embargo, radica en el campo en desarrollo de los robots submarinos de inspiración biológica. "Vamos a tener nuevos tipos de robots submarinos que tienen cuerpos flexibles de flexión que se mueven como un pez", dice Lauder. Varios robots de peces que funcionan con baterías están en proceso, y lógicamente, agregarles piel de tiburón falso podría aumentar la velocidad y la eficiencia energética. Lauder y su equipo están colaborando con investigadores de la Universidad de Drexel en Filadelfia en un robot para peces. Desde entonces, han expandido su estudio de mecánica de la piel para mirar a través de varias especies de peces, y ver cómo las diferentes formas y patrones de escala afectan la natación.
Con la impresión 3D, los científicos podrán aprender aún más sobre cómo el dentículo o los patrones de escala en un pez impactan en las fuerzas de natación. “Puedes cambiar el espacio [de los dentículos]; puedes hacerlos dos veces más espaciados. Puede escalonarlos, hacer que se superpongan, hacer que no se superpongan y hacer muchos cambios para comenzar a separar las características clave de la piel de tiburón ”, dice Lauder. Estos experimentos ayudarán a los científicos a perfeccionar las pieles artificiales.
"Este es un campo de rápido crecimiento en este momento", dice George Jeronimidis, un ingeniero de la Universidad de Reading en el Reino Unido. "Estamos empezando a comprender cuán integrada y funcional es la piel de las criaturas marinas".
El laboratorio de Jeronimidis ha desarrollado piel artificial de pulpo. La piel del pulpo tiene su propio conjunto de complejidades: es suave, flexible y está llena de millones de neuronas sensoriales que ayudan al organismo a navegar por su entorno. La versión sintética del ingeniero consiste en fibras de nylon incrustadas en caucho de silicona, que mantienen la piel flexible pero resistente a la rotura. Incluso tiene retoños, aunque estos son pasivos: un pulpo real puede manipular cada retoño individualmente.
Si bien aún queda mucho trabajo por hacer, en el futuro, los robots submarinos podrían estar dotados de la velocidad de un tiburón o de la inteligencia sensorial de un pulpo. Y, con una piel artificial sofisticada, podrían aventurarse donde los humanos no pueden, desde navegar por las aguas turbias de los derrames de petróleo hasta buscar restos de aviones e incluso explorar las profundidades más profundas del océano.
