La piel de calamar inspira novedosas “ventanas líquidas” para un mayor ahorro energético | El sistema bioinspirado optimiza la longitud de onda, la intensidad y la dispersión de la luz que llega a los interiores
El calamar y varios otros cefalópodos pueden cambiar rápidamente los colores de su piel, gracias a la estructura única de esa piel. Los ingenieros de la Universidad de Toronto se inspiraron en el calamar para crear un prototipo de “ventanas líquidas” que pueden cambiar la longitud de onda, la intensidad y la distribución de la luz transmitida a través de esas ventanas, lo que ahorra sustancialmente en costos de energía. Describieron su trabajo en un nuevo artículo publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences.
“Los edificios usan una tonelada de energía para calentar, enfriar e iluminar los espacios dentro de ellos”, dijo el coautor Raphael Kay. “Si podemos controlar estratégicamente la cantidad, el tipo y la dirección de la energía solar que ingresa a nuestros edificios, podemos reducir enormemente la cantidad de trabajo que le pedimos a los calentadores, enfriadores y luces”. A Kay le gusta pensar en los edificios como organismos vivos que también tienen “piel”, es decir, una capa exterior de fachadas y ventanas exteriores. Pero estas características son en gran parte estáticas, lo que limita cuánto se puede optimizar el “sistema” de construcción en condiciones ambientales cambiantes.
La instalación de persianas que se pueden abrir y cerrar es una forma rudimentaria de aliviar la carga de los sistemas de iluminación y calefacción/refrigeración. Las ventanas electrocromáticas que cambian su opacidad cuando se les aplica un voltaje son una opción más sofisticada. Pero, según Kay, estos sistemas son caros y tienen procesos de fabricación complicados y una gama limitada de opacidades. Tampoco es posible sombrear una parte de un cristal y otra no.
Así que buscaron inspiración en la naturaleza. El año pasado, los ingenieros de Toronto construyeron un sistema con matrices de células optofluídicas inspiradas en artrópodos marinos, como el krill, los cangrejos y peces como la tilapia, que pueden dispersarse y recolectar gránulos de pigmento en su piel para cambiar su color y tonalidad. Esas celdas prototipo consistían en una fina capa de aceite mineral entre dos láminas transparentes de plástico. Inyectar un poco de agua que contiene un pigmento o tinte a través de un tubo conectado al centro de la célula crea una explosión de color. La forma de la floración está ligada al caudal, que puede controlarse mediante una bomba digital. Un caudal bajo produce flores circulares; velocidades de flujo más rápidas crean patrones de ramificación intrincados:
En estos prototipos de células optofluídicas inspiradas en pieles de tilapia, krill y cangrejo, la inyección de tinte a diferentes velocidades de flujo conduce a diferentes patrones de ramificación. Crédito: Raphael Kay, Charlie Katrycz.
La piel del calamar es translúcida y presenta una capa externa de células pigmentarias llamadas cromatóforos que controlan la absorción de la luz. Cada cromatóforo está unido a las fibras musculares que recubren la superficie de la piel y esas fibras, a su vez, están conectadas a una fibra nerviosa. Es muy sencillo estimular esos nervios con pulsos eléctricos, haciendo que los músculos se contraigan. Y debido a que los músculos tiran en diferentes direcciones, la célula se expande, junto con las áreas pigmentadas, cambiando el color. Cuando la célula se encoge, también lo hacen las áreas pigmentadas.
Debajo de los cromatóforos, hay una capa separada de iridóforos. A diferencia de los cromatóforos, los iridóforos no se basan en pigmentos, sino que son un ejemplo de color estructural, similar a los cristales en las alas de una mariposa, excepto que los iridóforos de un calamar son dinámicos en lugar de estáticos. Se pueden ajustar para reflejar diferentes longitudes de onda de luz. Un artículo de 2012 sugirió que este color estructural dinámicamente sintonizable de los iridóforos está vinculado a un neurotransmisor llamado acetilcolina. Las dos capas trabajan juntas para generar las propiedades ópticas únicas de la piel del calamar.
La velocidad a la que el calamar puede lograr su hazaña de cambiar de color es impresionante, e incluso inspiró a los YouTubers de bricolaje, Backyard Brains, a mostrar la piel de un calamar Longfin Inshore cambiando de tonalidad en sincronía con “Insane in the Brain” de Cypress Hill en 2012. Las señales eléctricas de la propia música inducían los cambios de color. Conectaron un iPhone a la aleta dorsal de un calamar con un electrodo de succión, y los cambios de voltaje hicieron que las células pigmentarias pareciera que “bailaban” junto con la melodía:
En 2012, Backyard Brains activó cromatóforos de calamar al ritmo de “Insane in the Brain” de Cypress Hill (1993).
Kay y sus colegas pensaron que la estructura de la piel de calamar podría ser la clave para crear fachadas de edificios dinámicas y ajustables. “La luz del sol contiene luz visible, que afecta la iluminación del edificio, pero también contiene otras longitudes de onda invisibles, como la luz infrarroja, que podemos considerar esencialmente como calor”, dijo Kay. “En medio del día en invierno, probablemente querrás dejar entrar ambos, pero en medio del día en verano, querrás dejar entrar solo la luz visible y no el calor. Los sistemas actuales normalmente no pueden hacer esto: bloquean ambos o ninguno. Tampoco tienen la capacidad de dirigir o dispersar la luz de manera beneficiosa”.
Entonces Kay et al. construyó un prototipo de sistema de microfluidos con láminas planas de plástico que contenían una serie de canales delgados para bombear fluidos. Agregar pigmentos o partículas personalizados al fluido cambia la longitud de onda de la luz, así como la dirección en la que se distribuye esa luz. Esas hojas se pueden combinar en pilas en capas, con cada pila realizando un tipo diferente de función óptica, como filtrar la longitud de onda, ajustar cómo se dispersa la luz transmitida en el interior y controlar la intensidad, todo gestionado con pequeñas bombas controladas digitalmente.
Según Kay, este enfoque simple y de bajo costo podría permitir el diseño de “fachadas de edificios dinámicas en estado líquido” con propiedades ópticas ajustables para ahorrar energía en calefacción, refrigeración e iluminación. Si bien su prototipo es una prueba de concepto, el equipo ejecutó simulaciones por computadora del desempeño probable del sistema como una fachada de edificio dinámica, respondiendo a las condiciones ambientales cambiantes. Sus modelos mostraron que una sola capa que controlara la transmisión de luz infrarroja cercana daría como resultado un ahorro del 25 por ciento. Agregar una segunda capa que controle la transmisión de la luz visible podría lograr un ahorro de costos de energía cercano al 50 por ciento.
“La idea de un edificio que pueda aprender, que pueda ajustar esta matriz dinámica por sí solo para optimizar los cambios estacionales y diarios en las condiciones solares, es muy emocionante para nosotros”, dijo el coautor Ben Hatton. “También estamos trabajando en cómo escalar esto de manera efectiva para que realmente pueda cubrir un edificio completo. Eso requerirá trabajo, pero dado que todo esto se puede hacer con materiales simples, no tóxicos y de bajo costo, es un desafío que se puede resolver. A nivel mundial, la cantidad de energía que consumen los edificios es enorme, es incluso mayor que la que gastamos en fabricación o transporte. Creemos que fabricar materiales inteligentes para edificios es un desafío que merece mucha más atención”.
Fuente: Squid skin inspires novel “liquid windows” for greater energy savings