Esto es lo que los nenúfares pueden enseñarnos sobre el diseño de edificios

El nenúfar gigante del Amazonas ha fascinado durante mucho tiempo a científicos, arquitectos y artistas por su belleza y tamaño. Sin embargo, la forma en que las hojas del nenúfar son capaces de crecer hasta 3 metros de ancho, con la fuerza suficiente para soportar el peso de un niño pequeño, ha seguido siendo un misterio, hasta ahora.

Un equipo de científicos británicos y franceses que estudian la mecánica de esas hojas gigantes ha documentado una red de venas ramificadas en forma de viga optimizada para la resistencia y el soporte estructural. Su investigación, publicada en febrero en Science Advances, podría transformar lo que Chris Thorogood, subdirector del Jardín Botánico y Arboreto de la Universidad de Oxford (Reino Unido), llama "un gran enigma botánico" en una guía que podría inspirar una mejor ingeniería y diseño en los edificios, especialmente en las estructuras flotantes.  

"Lo que demostramos a través de nuestros experimentos empíricos y de la modelización matemática fue que estas hojas son singularmente fuertes y tienen una flexibilidad rígida que les permite crecer mucho", dice Thorogood, que fue el autor principal del estudio.
 

Venas inspiradoras

Desde arriba, la hoja de un nenúfar amazónico se asemeja a un gran plato verde con el borde hacia arriba. La fuente de su belleza y su fuerza sólo se ve desde abajo...

"Cuando sacamos las hojas del estanque y el público las ve, se queda boquiabierto ante su belleza", dice Thorogood. "Son asombrosamente bellas".

El envés de la hoja está completamente cubierto por una red fractal de venas espinosas que irradian desde el tallo central. Las venas principales se vuelven más finas y se dividen en ramas a medida que se acercan al borde de la hoja. Están cruzadas a intervalos regulares por otras venas que forman círculos concéntricos y que son exclusivas de este género de nenúfares. El efecto general es sorprendente: una intrincada red de venas amarillas contra el verde oscuro de la hoja.

El nenúfar gigante fue descubierto por exploradores británicos en Sudamérica en 1801. Rápidamente ganó popularidad en la Inglaterra victoriana, donde se le dio el nombre del género, Victoria, en honor a la joven reina Victoria, y la planta se convirtió en un símbolo del Imperio Británico.

Pero se convirtió en algo más que un símbolo, ya que los botánicos intentaron repetidamente cultivarla en cautividad. "Era una obsesión", escribe Tatiana Holway en su libro The Flower of Empire. "Absorbiendo a algunos de los hombres más eminentes y emprendedores de la era victoriana, el esfuerzo por recuperar esta exótica sin par de las selvas ecuatoriales donde crecía y cultivarla en Inglaterra se convirtió en una búsqueda épica que cautivó al mundo".

El jardinero y arquitecto británico Joseph Paxton fue el primero en cultivar con éxito el nenúfar gigante. Inspiró su diseño del Palacio de Cristal, un monumento londinense de hierro fundido y cristal que se construyó para la Gran Exposición de 1851 (y que posteriormente fue destruido por un incendio).

"La naturaleza fue el ingeniero", dijo Paxton en un discurso de 1850 ante la Royal Society of Arts. "La naturaleza ha proporcionado a la hoja vigas y soportes longitudinales y transversales que yo, tomando prestado de ella, he adoptado en este edificio".

Paxton tenía una idea intuitiva de los puntos fuertes del lirio, pero sólo ahora Thorogood y sus colegas han resuelto los detalles mecánicos.

(Fotogalería: Dibujos de la naturaleza: flora)

Poniendo a prueba una hoja

Vestidos con botas de agua, los investigadores se metieron en el gran estanque calentado del Jardín Botánico de la Universidad de Oxford para medir experimentalmente cómo responden las hojas al peso.

"Dios mío, llevaba tiempo buscando esta oportunidad de meterme en un estanque y pinchar un nenúfar", dice Finn Box, investigador de mecánica de fluidos de la Universidad de Manchester y autor principal del estudio. "Fue muy divertido".

Para crecer hasta tres metros de ancho, mucho más que cualquier otro nenúfar, el nenúfar amazónico tiene que ser fuerte. El tejido verde entre las venas sólo tiene un milímetro de grosor. El agua sobre la que flota la hoja soporta su peso, pero tiene que soportar la lluvia de una tormenta tropical o el peso de un pájaro que pase por encima sin quedar destrozado y sumergido. 

"Una vez que la hoja se sumerge, va a perder su espacio en la superficie donde puede hacer la fotosíntesis", dice Box.

El secreto del nenúfar amazónico es su prominente sistema vascular, una innovación biológica de la que carecen los nenúfares más pequeños: parecen discos planos con venas finas y apenas perceptibles.

Box y sus colegas midieron la resistencia del nenúfar mediante una serie de pruebas de esfuerzo. En primer lugar, desprendieron una hoja de nenúfar de un metro de largo del tallo que la anclaba al barro de abajo y arrastraron la hoja hasta el borde del estanque. Evitaron con cuidado las feroces espinas de un centímetro que cubren el envés y protegen la hoja de los peces que la mordisquean.

Con una cámara, registraron cuánto se abollaba y deformaba cada hoja cuando la presionaban o le ponían un peso encima. Estas pruebas de tensión demostraron que las hojas del nenúfar amazónico eran órdenes de magnitud más rígidas y, por tanto, más fuertes que las hojas más pequeñas de otras especies de nenúfares más comunes.

Utilizando modelos informáticos y una muestra de prueba impresa en 3D, el equipo de investigación puso a prueba su hipótesis sobre cómo lo hacen las plantas amazónicas. Descubrieron que las venas ramificadas del lirio gigante, que comienzan muy gruesas cerca del centro y se estrechan hacia el borde de la hoja, distribuyen el peso de la hoja de manera uniforme. De este modo, la hoja se hace más rígida y se sostiene, mientras que se recupera elásticamente cuando se deforma, por ejemplo, por la pata de un pájaro, y lo hace de forma muy eficaz.

Qué gana el nenúfar (y nosotros) con esto

El nenúfar amazónico prospera en las zonas estacionalmente inundadas de la cuenca del Amazonas, donde tiene unos seis meses para crecer antes de que el agua vuelva a desaparecer. Durante ese periodo, sus grandes hojas gigantes le permiten absorber la máxima cantidad de luz solar.

Las venas que ciñen las hojas permiten esencialmente al nenúfar cubrir más superficie para la fotosíntesis utilizando menos biomasa. En comparación, las hojas ordinarias de los nenúfares comunes más pequeños simplemente no podrían soportar tanto peso.

"Cuanto más grande sea su superficie, más fotosíntesis puede hacer", dice Box. "Esa economía entre la materia vegetal y la capacidad de fotosíntesis es obviamente importante para ellos".

Los humanos ya han desarrollado aplicaciones biomiméticas inspiradas en las plantas, como el velcro de las fresas de la planta de bardana y las superficies autolimpiables de las hojas de loto. La idea de una hoja grande y flotante no es tan descabellada; además de mejorar el diseño de las estructuras flotantes, podría dar lugar a nuevos diseños rentables para turbinas eólicas en alta mar o incluso sociedades flotantes. En 2008, el arquitecto belga Vincent Callebaut diseñó una ciudad flotante basada en la estructura de la hoja de lirio gigante, llamada "Lilypad: una ecópolis flotante para refugiados climáticos".

"Tal vez lo que podemos tomar los ingenieros es: 'oye, ¿alguien ha pensado alguna vez en vigas ramificadas o en vigas que tengan secciones transversales variables?". pregunta Box. "Supongo que tal vez hayas avanzado cuando tengas que volver a tu propio mundo y pensar en algunas de las cosas que has encontrado mientras estabas en el mundo biológico".

Hay algo de poético en la idea de que los humanos utilicen algún día paneles solares que floten plácidamente en una plataforma inspirada en los nenúfares del Amazonas para recoger todo el sol posible, tal y como ha hecho la planta durante millones de años.

"Es una idea similar", dice Box. "Entonces, ¿por qué no podemos aprender de los ejemplos naturales que han evolucionado una solución óptima?".