Actuador hidráulico sensible a la humedad inspirado en piñas

Innovación: Academia

Universidad Técnica de Munich

2017

Imagen: Carga de Aaron / Unsplash / CC BY SA - Reconocimiento de Creative Commons + ShareAlike

Detectar señales de temperatura del entorno

Algunos sistemas vivos utilizan su capacidad de percibir la temperatura para encontrar presas o evitar a los depredadores, o como una forma de obtener información sobre su entorno, por ejemplo, si están cerca de un lugar cálido o frío. Los gradientes de temperatura pueden ser sutiles y modulares a medida que viajan a través del agua, el aire o los sólidos. Por lo tanto, los organismos vivos deben tener una variedad de sensores térmicos apropiados para un medio dado (líquido, gas, sólido). Algunos incluso tienen una forma de "visualizar" la fuente de una señal. Por ejemplo, la serpiente de cascabel tiene sensores de calor con miles de terminaciones nerviosas ubicadas en agujeros en forma de hoyo a cada lado de su cara. La sensibilidad de los hoyos se superpone, dando a la serpiente una imagen bifocal de la fuente del calor.

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Sentir las condiciones atmosféricas

Para algunos sistemas vivos, la capacidad de detectar cambios en las condiciones atmosféricas puede ser muy valiosa. Al predecir cambios en el clima regional o en condiciones muy localizadas, los sistemas vivos pueden evitar o aprovechar esos cambios. Dado que tales ajustes pueden ser muy sutiles, los sistemas vivos deben poder detectar variaciones minúsculas en la humedad, la presión barométrica, los iones en el aire y otras señales ambientales. Muchos insectos y pájaros, por ejemplo, pueden predecir las tormentas que se avecinan y ponerse a cubierto antes de que sus vidas corran peligro.

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Modificar tamaño/forma/masa/volumen

Muchos sistemas vivos alteran sus propiedades físicas, como el tamaño, la forma, la masa o el volumen. Estas modificaciones ocurren en respuesta a las necesidades del sistema vivo y/o condiciones ambientales cambiantes. Por ejemplo, pueden hacer esto para moverse de manera más eficiente, escapar de los depredadores, recuperarse del daño o por muchas otras razones. Estas modificaciones requieren índices y niveles de respuesta apropiados. La modificación de cualquiera de estas propiedades requiere materiales que permitan dichos cambios, señales para realizar los cambios y mecanismos para controlarlos. Un ejemplo es el pez puercoespín, que se protege de los depredadores tomando sorbos de agua o aire para inflar su cuerpo y erguir espinas incrustadas en su piel.

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Proteger de la temperatura

Muchos sistemas vivos funcionan mejor dentro de rangos de temperatura específicos. Las temperaturas superiores o inferiores a ese rango pueden afectar negativamente los procesos fisiológicos o químicos de un sistema vivo y dañar su exterior o interior. Los sistemas vivos deben manejar temperaturas altas o bajas utilizando un mínimo de energía, lo que a menudo requiere respuestas de control a lo largo de los cambios de temperatura incrementales. Para hacerlo, los sistemas vivos utilizan una variedad de estrategias, como evitar las temperaturas altas o bajas, eliminar el exceso de calor y retener el calor. El aislamiento es un ejemplo bien conocido de cómo controlar las bajas temperaturas reteniendo el calor usando capas gruesas de cabello, piel , o plumas para mantener el aire caliente junto a la piel.

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El actuador hidráulico de la Universidad Técnica de Munich puede hincharse pasivamente para cambiar de forma, lo que reduce el uso de energía.

Beneficios

Autónomo
Uso reducido de energía
Misiones

Aplicaciones

Diseño de los edificios
Arquitectura
Sistemas de calefacción y refrigeración

Objetivos de desarrollo sostenible de la ONU abordados

Objetivo 11: Ciudades y comunidades sostenibles
Objetivo 12: Producción y Consumo Responsables

Bioutilización

Celulosa

El Desafío

Los actuadores comunes utilizados en muchas industrias diferentes requieren electricidad, lo que puede suponer un gran gasto. Además, los actuadores críticos, como los de las aplicaciones médicas, pueden fallar durante los cortes de energía, lo que genera riesgos para la seguridad.

Detalles de la innovación

El actuador hidráulico responde dinámicamente a los cambios en la humedad del aire. Está compuesto por dos capas que absorben cantidades variables de líquido para controlar las propiedades mecánicas del sistema. Una de las capas contiene , un polisacárido, que se considera uno de los biopolímeros más abundantes en el mundo. La otra capa mantiene la integridad estructural del sistema. El actuador se puede usar en edificios inteligentes para permitir el intercambio de calor con el medio ambiente, reduciendo el uso y los costos de energía.

Historia de biomimética

Las piñas responden naturalmente a diferentes grados de humedad abriéndose y cerrándose. Las escamas se flexionan pasivamente en respuesta a los cambios en los niveles de humedad a través de una estructura de dos capas. La primera capa está compuesta por paredes celulares hechas de lignina, un material rígido encontrado en las plantas. El segundo componente es la celulosa, una fibra que se encuentra en la mayoría de las plantas. Las escamas del cono de pino están dispuestas de manera que cuando el aire está húmedo, las células exteriores se expanden hacia el centro, apretando el cono de pino para cerrarlo. Cuando la atmósfera está seca, la piña permanece abierta con escamas dobladas para permitir que el viento esparza sus semillas.

Referencias

Artículos

Hacia una nueva generación de actuadores biomiméticos inteligentes para la arquitectura

Materiales avanzados

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