Biomimética: a ciência inspirada no design inteligente da natureza

 

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O termo biomimética provém da combinação das palavras gregas bíos, que significa vida e mímesis que significa imitação.

Dito de modo simples, é a imitação da vida. A biomimética é uma nova área da ciência que estuda as estruturas biológicas e suas funções, procurando aprender com a Natureza (e não sobre ela) e utilizar esse conhecimento em diferentes domínios da ciência para o desenvolvimento de soluções para os problemas humanos [1, 2]. O biólogo evolutivo Marc Weissburg, co-diretor do Centro de Design Biologicamente Inspirado do Instituto de Tecnologia da Geórgia, apesar de atribuir à evolução o título de processo mais rigoroso do mundo, reconhece que

todo o organismo encontra-se projetado para resolver um problema. [3]

É evidente que “problemas” só existem no contexto de design. Além do mais, entendemos que cada organismo possui muito mais que “a solução para um problema“. Janine Benyus, escritora científica e fundadora do Instituto de Biomimética (Montana, EUA), defende em seu livro Biomimética: Inovação Inspirada pela Natureza que

diferentemente da Revolução Industrial, a Revolução Biomimética inaugura uma era cujas bases assentam não naquilo que podemos extrair da natureza, mas no que podemos aprender com ela. [4: p.10]

Para o biólogo Dr. Phil Gates, professor da Universidade de Durham,

muitas das nossas melhores invenções foram copiadas de outros seres vivos ou já são utilizadas por eles. […] Em algum lugar, entre os milhões de organismos que ainda não foram descobertas, há invenções naturais que poderiam melhorar nossas vidas. Elas poderiam fornecer novos medicamentos, materiais de construção, modos de controle de pragas e lidar com a poluição. [5:p.5]

Foi pensando na otimização dessas ideias inspiradoras da natureza que alguns cientistas criaram um banco de dados que já catalogou milhares de diferentes sistemas biológicos [6]. Um prático banco de dados para pesquisadores encontrar “soluções naturais para seus problemas de projeto”, diz a revista The Economist [7]. Os sistemas naturais mantidos nesse banco de dados são conhecidos como patentes biológicas. Sobre esse banco de dados de patentes biológicas The Economist diz:

Por chamarem de ‘patentes biológicas’ as geniais ideias biomiméticas, os pesquisadores estão na realidade dizendo que a natureza é a legítima detentora dessas patentes.

Por outro lado é curioso notar que frequentemente cientistas afirmam que não há design real na natureza.

Richard Dawkins, por exemplo, disse que o design que vemos em organismos vivos é ilusão:

A ilusão de design é tão bem sucedida que a maior parte dos americanos hoje […] teimosamente se recusa a acreditar que é uma ilusão. [8:p.35]

Ele acrescenta que:

a ilusão [de design] é tão poderosa que enganou as mentes mais brilhantes durante séculos, até que Charles Darwin apareceu em cena. [9:p.416]

A comunidade científica endossa esta tese: não existem sinais de inteligência empiricamente detectados na natureza [10].

Conforme indaga o historiador da ciência Enézio Eugênio de Almeida Filho, se o design é “ilusão”, por que buscar design inteligente na natureza?

A ideia de “ilusão” vai contra o que se observa atualmente nas pesquisas aplicadas, pois, na prática, a biomimética é a certeza de que o objeto que se está a imitar possui design suficientemente bom para ser copiado. Um cientista não pode negar que, ao detectar o design “ilusório”, ele parte imediatamente para pesquisas visando avançar o conhecimento científico, realizar aplicações práticas e, consequentemente, fornecer melhorias para a humanidade [10]. Então, o design é “ilusão”, mas é prático? Como isso é possível?

De vírus a mamíferos, tudo na natureza está agora sendo visto sob uma nova perspectiva: agentes de inovação com quem os humanos podem aprender. Assim sendo, apresento a seguir apenas alguns exemplos de pesquisas aplicadas dentre os milhares de estudos biomiméticos publicados ao longo da última década:

O velcro é um dos exemplos mais antigos e conhecidos de produto biomimético, desenvolvido em 1941 pelo engenheiro suíço George de Mestral, após encontrar várias sementes de plantas do gênero Arctium (carrapicho) grudados no pelo do seu cachorro durante suas caminhadas pelos Aspes. Ao ver a semente pelo microscópio, o engenheiro notou que ela era dotada de filamentos entrelaçados e com pequenos ganchos nas pontas. Baseado nesta inspiração criou uma alternativa para unir materiais de maneira simples e reversível. O design foi patenteado em 1952 e passou a ser comercializado por sua empresa Velcro S.A [11].

Plantas (e a tecnologia de coleta de água do ar):

Algumas plantas possuem cabelos minúsculos (microfibras) em suas folhas que servem para recolher água doce do ar. As plantas que vivem em regiões áridas e montanhosas do planeta necessitam desse mecanismo para sobrevivência, mas até então não se sabia exatamente como conseguiam essa façanha. Os cientistas descobriram que as microfibras são responsáveis tanto pelo armazenamento quanto pela liberação de água [12]. Em épocas secas, a água armazenada é liberada para a folha. Essa tecnologia permitirá a construção de um aparelho capaz de coletar a água do ar para aliviar a escassez de água no mundo.

Plantas (e o reator que produz biocombustível solar):

Cientistas desenvolveram um reator capaz de produzir combustível líquido parecido com o conceito de fotossíntese artificial [13, 14]. O reator produz combustível usando a luz do sol, dióxido de carbono e água, mais um composto chamado óxido cérico. O combustível são hidrocarbonos, similares ao petróleo e aos bio-óleos. A distância da fotossíntese real ainda é gigantesca, mas a ideia de imitar a forma de conseguir energia tal como a das plantas parece ser um caminho mais concreto do que as “formas alternativas” já desenvolvidas pelo homem.

Planta liana (e as membranas de auto-cura):

A planta liana conhecida como “cipó” possui anéis de estabilização de células que se curam espontaneamente após sofrer danos [15]. Como é que a liana repara suas lesões? Os cientistas explicam que “quando as células lignificadas dos tecidos de suporte externos que dão à planta a sua rigidez de flexão são danificadas, a planta administra ‘primeiros socorros’ para a sua ferida”. Células das camadas profundas se expandem de repente e fecham a lesão de dentro pra fora. Apenas em uma fase posterior ela faz o processo de auto-cura e o tecido original volta a crescer. Cientistas se inspiraram na planta e desenvolveram um revestimento para barcos de borracha a base de um material que não só reduz a perda de pressão, caso a membrana seja danificada, mas também torna a estrutura inflável mais resistente.

Planta Drosera (e os adesivos de aplicações biomédicas):

Os tentáculos que saem da planta carnívora Drosera secretam um adesivo poderoso capaz de esticar um milhão de vezes o seu tamanho. Cientistas buscaram aprender com os princípios biológicos dessa planta e aplicar engenharia para desenvolver um produto final que utilize os mesmos compostos [16]. Essa elasticidade notável faz o adesivo produzido pela planta ser uma escolha potencialmente eficaz para o revestimento de substituições de partes do corpo (quadris ou joelhos artificiais), para regenerar tecidos mortos, para curar feridas e melhorar adesivos sintéticos.

Planta Teixo (e os anticancerígenos):

O Taxol, extraído da casca do teixo do Pacífico (Taxus brevifolia), é um importante medicamento natural anticancerígeno no tratamento contra o câncer de ovário e de mama [17]. Para Gordon Cragg, chefe da divisão de produtos naturais do National Cancer Laboratory nos E.U.A, “a natureza é o químico supremo. Com o devido respeito ao talento dos químicos, não creio que eles fossem capazes de criar uma molécula como a do Taxol.” [4:p.149]. O Taxol compõe a lista da Organização Mundial da Saúde [18]. Em 2004, essa tecnologia foi premiada com o Presidential Green Chemistry Challenge Award (Prêmio Desafio em Química Verde).

Romã (e as superbaterias à base de silício):

A fruta Romã serviu de inspiração para o desenvolvimento de um protótipo de bateria que consegue armazenar até 10 vezes mais energia que os modelos convencionais [19]. Cientistas queriam criar baterias de lítio que usassem silício, porém esse elemento se quebra no momento da recarga devido o calor. Foi aí que a estrutura natural da romã se tornou útil. Foram unidas nanopartículas de silício em cápsulas resistentes de carbono, organizando-os da mesma forma que as sementes da romã; assim, a eletricidade é conduzida sem que se precise expor o silício.

Foi observado que após mil ciclos de recarga a bateria ainda era capaz de funcionar em 97% de sua capacidade. Essa tecnologia permitirá a fabricação de baterias menores, mais leves e mais potentes para telefones celulares, tablets e carros elétricos.

Insetos (e a nova geração de aparelhos auditivos):

Cientistas criaram um sistema de aparelho auditivo moderno com base em um microfone inspirado em um inseto amarelo (Ormia ochracea) fêmea a fim de resolver o problema de localização de sons e eliminar o ruído de fundo [20]. Esse projeto possui um design inovador usando um microfone direcional em miniatura, semelhante ao de um ouvido de um inseto. O projeto também vai investigar técnicas de impressão 3D para otimizar o design do aparelho auditivo para que ele funcione melhor acusticamente em conjunto com o novo microfone. A promessa é a de que essa tecnologia aumentará a qualidade do apoio oferecido às pessoas afetadas pela perda auditiva.

Insetos (e os nanofilmes hidrofóbicos):

A fim de projetar superfícies repelentes à água, cientistas se inspiraram nas propriedades hidrofóbicas de insetos aquáticos como a aranha-d’água, que andam sobre a água, e de borboletas que sacudem a água de suas asas [21]. Após as análises, foi possível criar uma fina película (nanofilmes) repelente à água com a capacidade de controlar a direção de transporte do líquido. Esta tecnologia oferece a possibilidade de avanços significativos para a produção de novas gerações de revestimentos para aplicações navais, médicas e de energia.

Asas de gafanhoto (e os robôs voadores):

Cientistas estudaram a aerodinâmica das asas do gafanhoto e descobriram que eles voam durante muito tempo com muito pouca energia [22]. Infelizmente para os engenheiros, a análise revelou também que a complexidade da venação das asas do inseto afeta diretamente a aerodinâmica − mudam radicalmente suas formas durante o vôo − por intermédio da deformação da asa, tornando-se difícil de ser imitado. Os autores disseram: “se queremos copiar o inseto, temos que extrair o máximo que pudermos do seu design e construir asas que fazem a maior parte do que as asas do inseto conseguem fazer”. Se obtiverem êxito, os resultados serão aplicados na engenharia robótica e de aeronaves.

Abelhas (e a nova geração de sistemas de navegação):

Abelhas calculam a rota mais eficiente entre todas as flores em um ambiente, economizando energia para coletar néctar. Por meio de um algoritmo desconhecido, elas resolvem problemas de rastreamento de rotas complexos que confundiria a maioria dos humanos [23]. Os cientistas dizem que esse GPS High Tech das abelhas pode nos ensinar “como otimizar os projetos para redes de informação, cujas rotas não podem ser planejadas com antecedência”. A promessa é a de que algoritmos inspirados nas abelhas melhorem projetos de redes de informação (telefonia móvel e internet) ou de transportes (ônibus, trens) das quais as sociedades modernas dependem.

Borboletas (e as telas de aparelhos eletrônicos):

O projeto das telas “mirasol” foi inspirado nas asas da borboleta do gênero Morpho, azul-metálico iridescente [24]. Cientistas descobriram que asas de borboletas manipulam a luz com um cristal orgânico, que é também um amplificador ótico. As asas contem microestruturas que criam o efeito de coloração através de “coloração estrutural” em vez de pigmentação. Ou seja, as asas de borboletas são constituídas de micropelículas arranjadas de tal forma que quando a luz passa por elas vemos diferentes cores que mudam de tonalidade de acordo com o ângulo com qual vemos. Portanto, inspirados nesse design, engenheiros projetaram telas de LCD com superfícies mais finas e leves, com alta qualidade de imagem e de visualização de baixíssimo consumo de energia.

Cupinzeiro (e o prédio sustentável):

O edifício Eastgate Center (Harare, Zimbábue), projeto de autoria do arquiteto Mick Pearce em parceria com a ARUP engenharia, foi inspirado na arquitetura e funcionamento dos túneis e condutos de ar de um cupinzeiro [25]. Portanto, o edifício não possui um sistema convencional de ar condicionado ou aquecimento, mas mesmo assim, mantém ao longo de todo o ano sua temperatura regulada com uma economia dramática no consumo de eletricidade (redução de 65%), tudo graças a um design que seguiu os princípios da biomimética.

Biosonar dos golfinhos (e a ecolocalização artificial):

A ecolocalização nos golfinhos é um sistema tecnológico natural bem sofisticado. É muito superior a qualquer sistema criado pelo homem. O golfinho possui um extraordinário sistema acústico de ecolocalização que lhe permite obter informações sobre outros animais e o ambiente, pois consegue emitir ondas ultra-sônicas, na faixa de 150 kHz, sob a forma de “clicks” ou estalidos. Baseado nessa capacidade natural os seres humanos desenvolveram a “ecolocalização artificial” com o advento do radar, sonar, e até mesmo aparelhos de ultrassonografia [26].

Baleia Jubarte (e as hélices eólicas):

Esse mamífero é ágil ao mergulhar e fazer curvas e o segredo está nas saliências (tubérculos) de suas nadadeiras que canalizam o fluxo de água e criam turbulências. Cientistas estão imitando esse design a fim de aprimorar lemes de barcos, turbinas hidráulicas, hélices de helicópteros e as hélices eólicas [27, 28]. Os testes aplicados em hélices eólicas mostraram uma eficiência de até 42% que beneficiará os moinhos, visto que constantemente eles recebem fortes rajadas de ventos que danificam a sua estrutura. Essa tecnologia fará com que o vento seja desviado facilmente, permitindo um melhor aproveitamento da energia, gerando mais energia ao aumentar a velocidade do giro e diminuindo a manutenção das hélices [29].

Tubarão (e as superfícies de baixo atrito):

Pesquisas estão explorando soluções naturais para a redução de atrito da pele sobre superfícies sólidas, o que poderia resultar em inovações e aplicações em matéria de conservação de energia. Para tanto, cientistas se inspiraram na forma como a pele dos peixes reage ao contato com a água, realizando experimentos em um modelo de pele com dentículos de tubarão-mako, considerado o tubarão mais rápido [30]. Essa tecnologia tem sido aplicada também em cascos de navios, submarinos e mesmo aviões aumentando a eficiência aerodinâmica em até 30%.

Lagartixas (e as fitas adesivas):

Cientistas estudaram as propriedades adesivas naturais das patas da lagartixa (gecko) que são capazes de manobrar rapidamente em superfícies verticais e tem incrível capacidade de subida, que lhes permite escalar parede a uma velocidade muito alta, ficar de cabeça para baixo no teto e liberar sua adesão do pé em milissegundos [31]. Isso porque a pata da lagartixa possui milhões de cílios que interagem com superfícies usando a força molecular [32]. Esse sistema inspirou a criação do Gecko Tape, uma fita adesiva com quatro vezes mais poder de colagem que qualquer outra, capaz de fixar qualquer coisa sem usar nenhuma cola [33].

Penas dos pássaros (e os sensores estabilizadores de vôo):

Cientistas se inspiraram nos dispositivos anti-turbulência presentes nas penas de pássaros a fim de desenvolver um sistema inovador que pode acabar com as turbulências em vôos de aeronaves [34]. Eles observaram que os micro-aviões não tripulados (drones) tendiam a sair de suas rotas devido às rajadas de vento que podiam estilhaçá-los no céu por completo, enquanto os insetos e pássaros se saíam muito melhor. O que os mantém tão estáveis? Eles descobriram a técnica utilizada pelos pássaros e a imitaram ao criar um sistema que detecta a perturbação do fluxo antes que isto resulte na movimentação da aeronave.

Linha lateral dos peixes (e o chip sensorial para navegação de robôs subaquáticos):

Manobrar um robô subaquático é muito complicado. A saída é tentar imitar os peixes, sobretudo a chamada linha lateral, um órgão sensorial distribuído ao longo do seu corpo que permite a detecção de movimentos. Foi então que cientistas se inspiraram no órgão sensorial dos bagres cegos encontrados em cavernas, e criaram um sensor baseado na tecnologia MEMS que praticamente não consomem nenhuma energia [35]. O equipamento fornece imagens 3D dos objetos ao redor, fazendo um mapeamento do entorno do robô que é muito mais preciso do que qualquer informação obtida com imagens por câmeras ou com sonares.

Proteínas da albumina do ovo (e o plástico biodegradável):

A albumina da clara de ovo inibe tão bem o crescimento bacteriano que poderia ser misturado com glicerol para criar “bioplásticos” esterilizados para aplicações biomédicas, bem como para ser biodegradável e, portanto, mais “amigo” do meio ambiente. Para um dos cientistas, “se você colocá-lo em um aterro sanitário, sendo este bioplástico feito a partir da proteína pura, ele vai se degradar” e “se você colocá-lo no solo durante um mês, no máximo, dois meses, esses plásticos vão desaparecer” [36]. Essa tecnologia será aplicada em embalagens de alimentos e na área biomédica.

Magnetorecepção em animais (e o sensor magnético em humanos):

Magnetorecepção é um sentido que permite que as bactérias, insetos e até vertebrados como salmão, tartarugas do mar, aves e tubarões detectem campos magnéticos para orientação e navegação. Os seres humanos, porém, são incapazes de perceber campos magnéticos naturalmente. Diante disso, cientistas desenvolveram um novo sensor magnético inspirado na natureza, que é fino, robusto e flexível o suficiente para ser facilmente adaptada à pele humana, mesmo em regiões mais flexíveis da palma da mão humana [37]. Essa tecnologia poderá equipar os seres humanos com sentido magnético.

Bússola biológica dos pássaros (e os Smartphones):

Uma nova e melhor geração de smartphones vão poder empregar sensores de campo magnético inspirados na bússola biológica de migração dos pássaros. Cientistas criaram perfeitos fios moleculares unidimensionais que suprimem quase totalmente a condutividade elétrica por um campo magnético fraco à temperatura ambiente [38]. É possível que esse mecanismo subjacente esteja intimamente relacionado com a bússola biológica usada por algumas aves migratórias para encontrar sua localização no campo geomagnético.

Mexilhões (e a sensibilidade dos dentes):

Sensibilidade dentária ocorre quando a dentina na linha da gengiva é desgastada, deixando os nervos expostos a sinais quentes, frios, doces ou azedos. Frente a este problema, cientistas anunciaram uma maneira de reconstruir o esmalte e dentina dos dentes, inspirada nos mexilhões [39]. Mexilhões constroem um adesivo à prova d’água para se fixarem às rochas. Baseados nesse design, cientistas desenvolveram uma “substância gosmenta” que reconstrói a dentina e o esmalte ao mesmo tempo. A promessa é a de que o adesivo manterá os minerais em contato com a dentina por tempo suficiente para que ocorra o processo de reconstrução.

Cérebro humano (e os processadores neuromórficos):

Cientistas estão usando silício e software para construir sistemas eletrônicos que imitam neurônios e sinapses, com vistas a construir uma geração de computadores mais eficientes e mais rápidos. O processador neuromórfico − supercomputador chamado Neugrid – foi construído para imitar o funcionamento dos neurônios de um cérebro humano [40]. Dotado com o chip Hicann, ele consegue simular 512 neurônios, cada um equipado com 224 circuitos sinápticos. Porém, vale lembrar que o córtex de um camundongo, por exemplo, opera 9.000 vezes mais rápido e consome 40.000 vezes menos energia do que uma simulação feita em computador.

Baço humano (e o baço artificial):

Cientistas desenvolveram um aparelho (biospleen) inspirado no baço humano que é capaz de filtrar organismos patogênicos e toxinas do sangue de pacientes [41]. Depois que o sangue flui pelo biospleen, um imã puxa as toxinas do sangue e aí o líquido “puro” retorna ao paciente − tratamento parecido com o da hemodiálise. Os testes conseguiram retirar 90% dos patogênicos do sangue depois de cinco “rodadas” de limpeza. A tecnologia pode ser uma boa opção no caso dos tratamentos virais também, como HIV e Ebola.

Lágrima humana (e a solução de limpeza para lentes de contato):

Cientistas criaram uma solução de limpeza para lentes de contato, Biotrue ONEday, inspirada na biologia dos olhos humanos [42]. A solução possui um pH compatível com o da lágrima humana e umedece a lente da mesma forma que os olhos, pois usa um lubrificante também encontrado no olho humano, o que deve reduzir a reação alérgica a esse tipo de produto [42, 43]. “Isso é bastante novo em oftalmologia. Mas num futuro próximo veremos inúmeras soluções da biomimética aplicadas à medicina”, afirma Gary Orsborn, diretor de cuidados médicos da Busch & Lomb [2].

Cristalino humano (e a lente para correção de catarata):

A empresa norte-americana Bausch & Lomb lançou outro produto de design bio-inspirado, desta vez para correção de catarata: a lente intra-ocular acomodável Crystalens® [31, 44]. Este implante de lente procura imitar o cristalino natural, tanto quanto possível. Projetado para se mover dentro do olho, o implante de lente permite que os pacientes enxerguem de perto, a médio alcance e à distância.

Articulações humanas (e o desenvolvimento de próteses):

Ao estudar a estrutura e função das articulações humanas (bacias, joelhos, ombros e tornozelos), cientistas se inspiraram para o desenvolvimento de dispositivos protéticos a fim de imitar e substituir a estrutura natural do corpo humano [45, 46].

Hemácias humanas (e o desenvolvimento de glóbulos vermelhos sintéticos):

Cientistas estão desenvolvendo glóbulos vermelhos sintéticos [47]. As células sintéticas foram projetadas para imitar as características estruturais e funcionais de hemácias do sangue humano a fim de transportar oxigênio através de capilares menores do que seu próprio diâmetro. O objetivo é o de que possam ser usados como veículos para agentes terapêuticos e de imagiologia, bem como para se tornar um sistema potencial de entrega de fármacos.

Tecidos humanos (e a engenharia de tecidos sintéticos):

Minúsculas partículas feitas de polímeros são uma grande promessa como andaimes estruturais para a construção de tecidos artificiais. Cientistas desenvolveram uma nova técnica que permite criar micropartículas que assumem praticamente qualquer forma, usando um micromolde que muda de forma em resposta à temperatura [48]. Foi possível organizar diferentes células em camadas para criar tecidos sintéticos que imitam a estrutura de tecidos naturais do corpo humano.

Viu a lista? Isso é o que o design inteligente tem feito por você ultimamente!

É por isso que o design inteligente se encaixa naturalmente com a Biomimética. Se modelos vivos não fossem tão bons, ninguém seria inspirado a imitá-los. Portanto, não é racional insultar bioengenheiros com a sugestão de que eles estão imitando tecnologias de última geração resultantes de um processo cego e não guiado em seus laboratórios [49]. Pelo contrário, a partir de nossa experiência uniforme, um bom projeto provém de uma boa mente.

Tecnológicas naturais como essas são impossíveis de serem justificadas através dos mecanismos propostos pelo atual paradigma para a explicação da origem e evolução dos seres vivos. É na ausência de descrição de mecanismos naturalistas, responsáveis pelo surgimento desses designs, que repousa a necessidade de uma influência inteligente arquitetando tudo. Contudo, diante da impossibilidade de demonstrar em laboratório a origem desses sistemas de complexidades naturais, revistas científicas como a Nature têm apelado ao naturalismo filosófico e à Metafísica:

Milhões de anos de evolução tornaram o mundo biológico em um laboratório de desenvolvimento de materiais extremamente eficaz. […] as substâncias encontradas no mundo natural são inspiradoras imitações que possam, eventualmente, dotar os seres humanos com poderes sobre-humanos. [50]

O fato de a Biomimética ter tido uma rápida ascensão na última década é sinal de que as pessoas estão cansadas de histórias inúteis. O papo de Darwin cai fora da discussão quando o foco está no design natural que a ciência pode imitar para melhorar a vida humana. Este é o início de uma nova forma de se fazer ciência com base em projetos inteligentes que vão trazer uma infinidade de benefícios para o mundo. Darwin está perdendo discípulos, e aqui vai uma dica: neodarwinistas, mantenham suas mãozinhas fora da Biomimética. Ela não pertence a vocês!

Quer saber se essas afirmações estão corretas? Façamos alguns questionamentos:

→ Quantas dessas pesquisas mencionaram a evolução?

→ A teoria da evolução é realmente relevante para o projeto baseado em design?

 

Capítulo disponível no e-book:  Teoria do Design Inteligente

Referências

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