Há várias décadas que a bioinspiração se baseia na observação de seres vivos para conceber materiais, estruturas ou soluções técnicas. É nesta ideia que se baseia a paleobioinspiração. “O registro fóssil expande nossa campo de observação. Permite-nos estudar soluções mecânicas que já não existem, mas que funcionam há milhões de anos. Alguns são ainda mais eficazes do que pensamos hoje “, sublinha Alexandra Houssaye, paleontóloga especializada em morfologia funcional e diretora de investigação do CNRS no Museu Nacional de História Natural de Paris, instituição que organizou o primeiro simpósio internacional sobre paleobioinspiração em 2023, e que dá continuidade a este impulso através do programa Bioinspire.
É o caso, por exemplo, do gliptodonte. Esse herbívoro sul-americano, desaparecido há pouco mais de 10 mil anos, podia pesar mais de uma tonelada e usava uma carapaça feita de milhares de osteodermos soldados entre si, formando uma concha rígida, espessa e notavelmente estruturada. Os pesquisadores analisaram a geometria de seus osteodermos e depois reconstruíram sua concha usando impressão 3D para testá-la. Resultado: este animal tinha uma proteção que oferecia um ótimo compromisso entre resistência e absorção de energia. Que inspiração para a futura proteção balística?
A armadura composta segue essa lógica de “ladrilho”. Fabricado em cerâmica injetada com alumínio, é otimizado por simulação para absorver a energia cinética dos projéteis e dissipar impactos. Crédito: FULONG ZHANG ET AL.
Sem dúvida, serão necessários vários anos de otimização antes de vermos um colete à prova de balas derivado do gliptodonte, um capacete inspirado no paquicefalossauro (um dinossauro que tinha uma cúpula óssea de 25 cm de espessura no topo do crânio), drones voadores animados por asas que imitam as dos pterossauros ou mesmo robôs subaquáticos equipados com remos de natação semelhantes aos dos répteis marinhos que viveram há mais de 65 milhões de anos. Na verdade, as soluções forjadas pela evolução nunca são respostas perfeitas para um único problema. Quase sempre são o produto de um compromisso. Uma estrutura óssea, uma carapaça, uma concha ou uma flor não são otimizadas para uma única função, mas para lidar com diversas restrições simultâneas, por vezes contraditórias.
Como resume Alexandra Houssaye, “o primeiro passo é sempre verificar se a relação forma-função é tão boa quanto supomos. É realmente esta estrutura que é interessante? Qual parte exatamente? E por que, como? Um organismo é otimizado para uma infinidade de coisas ao mesmo tempo, enquanto na engenharia, muitas vezes procuramos uma função precisa. Devemos, portanto, cortar essas relações, escolher e extrair aquela que realmente queremos explorar. “
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Penetra virtualmente no osso e obtém a arquitetura interna
A exploração do passado em busca de soluções para o futuro teria permanecido em grande parte teórica há vinte anos. Tornou-se operacional graças a uma série de ferramentas que transformaram profundamente o estudo dos fósseis. A microtomografia de raios X agora permite penetrar virtualmente no interior de um osso ou concha sem tocá-lo. Os pesquisadores não observam mais apenas formas externas, mas arquiteturas internas, redes de vãos, gradientes de densidade. Estas imagens são complementadas por modelos digitais de elementos finitos, capazes de simular tensões, flexões e potenciais zonas de falha.
No entanto, trabalhos preliminares mostram resultados que destacam o forte potencial da paleobioinspiração. “Isso é encorajador porque mostra que não precisamos reproduzir toda a complexidade biológica para capturar as regras mecânicas essenciais “, sublinha Alexandra Houssaye. A cientista trabalha em particular na arquitectura interna dos ossos de suporte em grandes mamíferos actuais e fósseis, bem como em dinossauros, em particular saurópodes. Estes animais suportavam massas consideráveis (mais de 100 toneladas para os maiores dinossauros) graças a uma distribuição optimizada de material, concentrada onde as restrições mecânicas eram mais fortes. Na engenharia civil, estes princípios hoje alimentam reflexões sobre concretos leves e economizadores de energia, com redução direta do carbono pegada de estruturas.
As novas tecnologias estão abrindo um campo muito além do esqueleto dos vertebrados. As amonites, moluscos que ocuparam os oceanos durante quase 335 milhões de anos, tornaram-se objetos de experimentação física. Ao reconstruir as suas conchas e testá-las como robôs nadadores, os investigadores estão a explorar os compromissos entre estabilidade, arrasto e manobrabilidade. Como aponta David Peterman, especialista em biomecânica de cefalópodes fósseis, “Esses animais são, de certa forma, submarinos a jato, com casco rígido e muito pouca área de superfície. controlar “. Seu trabalho mostra que “conchas achatadas deslizam melhor, são mais estáveis, mas giram com dificuldade, enquanto formas mais esféricas são muito manobráveis, mas lutam para manter sua trajetória “.
Para ele, o interesse vai muito além da paleontologia: “Muitas dessas restrições físicas são exatamente aquelas que os engenheiros encontram ao projetar robôs subaquáticos. “As plantas fósseis também oferecem outra área de exploração. As arquiteturas vegetais das licófitas gigantes do Carbonífero, as primeiras plantas ou fetos arbóreos primitivos resolveram, cada uma à sua maneira, problemas fundamentais de estabilidade e solidez do caule e transporte de água.
Thomas Speck, especialista em biomecânica vegetal e diretor do jardim botânico de Freiburg, Alemanha, vê um reservatório de ideias que ainda é amplamente subexplorado: “O As plantas fósseis apresentam soluções muito diferentes para combinar estabilidade mecânica e condução de água com as mesmas células. “Ao estudar aqueles que resistiram às crises biológicas, aprendemos também que “a superespecialização em um determinado ambiente é extremamente perigosa quando muda “. Por outro lado, a otimização de recursos, ou seja, o desenvolvimento de uma solução suficiente que envolva um mínimo de investimento material e energético, representa uma vantagem seletiva considerável. “A combinação destas duas abordagens, nomeadamente a ausência de subespecialização e a otimização de recursos, pode ajudar a enfrentar os desafios colocados pelas alterações climáticas “, sublinha o investigador.
Múltiplas maneiras de os pterossauros voarem
Os pterossauros não foram apenas os primeiros vertebrados a voar. Eles também exploraram uma gama de soluções aeromecânicas não encontradas em nenhum animal atual. Suas asas consistiam em uma membrana flexível esticada sobre um único dedo longo, reforçada por fibras internas. Esta arquitetura conferiu às asas uma grande capacidade de deformação, ao mesmo tempo que permitiu o dobramento completo para caminhar no solo. Nos pterossauros gigantes, esses membros anteriores provavelmente desempenharam um papel fundamental na decolagem, fornecendo a maior parte da força ao solo antes do voo.
Uma patente de pás de turbina eólica diretamente inspirada em princípios demonstrados em pterossauros reivindica assim uma melhoria na eficiência de cerca de 14%. Outros trabalhos transpuseram a morfologia dos pterossauros para conceitos de aeronaves sólidas, capazes de operar nas camadas superiores da atmosfera terrestre, ou em ambientes mais extremos como os de Marte ou Vênus. A NASA também está trabalhando em um conceito para um veículo marciano com asas dobráveis, projetado para ser lançado do solo como um pterossauro.
Extraia princípios gerais de vida
Mas para que estes caminhos conduzam a soluções concretas, a paleobio-inspiração deve sair dos laboratórios e encontrar o seu lugar nas cadeias de produção industrial. Este é precisamente um dos papéis do Ceebios, Centro de Estudos e Especialização em Biomimética, em Senlis (Oise), que pretende ser um ponto de encontro entre biólogos, engenheiros, designers, arquitetos e industriais para apoiar projetos de inovação. O desafio é transformar uma observação da vida em um princípio verdadeiramente utilizável. “Nosso trabalho consiste em partir de um problema técnico, identificar a função de interesse e depois explorar os seres vivos para extrair princípios gerais que serão utilizados para projetar novos materiais, produtos e serviços “, explica Luce-Marie Petit, gerente de projetos de estudos industriais.
Com a missão de“inovar na escala dos materiais, do edifício ao local industrial, para reduzir o consumo de energia e o impacto do carbono, e projetar soluções multifuncionais. “Nessa lógica, a paleobioinspiração aparece como uma extensão natural da biomimética clássica. “Mergulhar no passado para inspirar o futuro “, resume ela, lembrando que certas espécies fósseis mantiveram arquiteturas estáveis por períodos muito mais longos do que os de nossos sistemas técnicos atuais. E que, inspirando-se neste passado prolixo, a humanidade poderia encontrar soluções para os problemas causados pelas mudanças climáticas e pelas convulsões ecológicas em curso.
Trilobitas: olhos fósseis inspiram a câmera do futuro
Os trilobitas, artrópodes que viveram no Paleozóico, já haviam resolvido um problema óptico complexo: enxergar com nitidez a várias distâncias ao mesmo tempo. Em algumas espécies, como Dalmanitina socialisos olhos compostos combinavam dois sistemas de lentes distintos, capazes de focar simultaneamente objetos próximos e distantes. Uma arquitetura baseada em lentes de calcita, rígidas e orientadas com precisão, que ofereciam uma profundidade de campo significativa sem mecanismo de acomodação.
Inspirando-se diretamente nesta organização bifocal, pesquisadores da Universidade de Nanjing, na China, projetaram uma câmera nanofotônica capaz de cobrir uma gama extremamente ampla de distâncias sem sacrificar a resolução. As imagens obtidas são então processadas com redes neurais para corrigir aberrações ópticas. A equipe reivindica assim uma profundidade de campo que varia de alguns centímetros a mais de um quilômetro.