Lo que un enorme nenúfar puede 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 lirio son capaces de crecer hasta 3 metros de ancho, con la fuerza suficiente para soportar el peso de un niño pequeño, sigue siendo un misterio, hasta ahora.

Un equipo de científicos británicos y franceses que estudian la mecánica de esas hojas gigantes, han documentado una red de venas ramificadas en forma de viga optimizadas 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, llama "un gran enigma botánico" en una guía que podría inspirar una mejor ingeniería y diseño en edificios, particularmente en estructuras flotantes.  

"Lo que mostramos a través de nuestros experimentos empíricos y modelos matemáticos fue que estas hojas son excepcionalmente fuertes y tienen una flexibilidad rígida que les permite crecer mucho", explica Thorogood, quien 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, tanto de su belleza como de su fuerza, se observa sólo desde abajo.

“Cuando sacamos las hojas del estanque y el público las ve, se quedan boquiabiertos ante la belleza de las hojas”, expresa Thorogood. "Son asombrosamente hermosas".

La parte inferior de la hoja está completamente cubierta con una red fractal de venas espinosas que se irradian desde el tallo central. Las nervaduras principales se vuelven más delgadas y se dividen en ramas a medida que se acercan al borde de la hoja. Están atravesadas a intervalos regulares por otras venas que forman círculos concéntricos y son exclusivas de este género de nenúfares. El efecto general es sorprendente: una intrincada red de venas amarillas contra el verde oscuro o el rojo de la hoja. (Hay dos especies hermanas de lirio de agua gigante con diferentes colores en la parte inferior).

Los exploradores británicos se encontraron por primera vez con este lirio gigante en América del Sur en 1801. Rápidamente ganó popularidad en la Inglaterra victoriana, donde el nombre de su género, Victoria, se le dio en honor a la joven reina Victoria, y la planta se convirtió en un símbolo del Imperio Británico.

Cómo el Nenúfar influyó en el diseño de edificios

Sin embargo, el lirio gigante  se convirtió en más que un símbolo, ya que los botánicos intentaron repetidamente cultivarlo en cautiverio. “Era una obsesión”, escribe Tatiana Holway en su libro The Flower of Empire.

“Involucrando a algunos de los hombres más eminentes y emprendedores de la era victoriana, el esfuerzo por recuperar este raro y exótico ejemplar de las selvas ecuatoriales donde creció y cultivarlo 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 Crystal Palace, un hito londinense de hierro fundido y vidrio que fue construido para la Gran Exposición de 1851 (y luego destruido por un incendio).

“La naturaleza era la ingeniera”, dijo Paxton en un discurso de 1850 ante la Royal Society of Arts (Sociedad Real de las Artes). “La naturaleza ha provisto a la hoja de vigas y soportes longitudinales y transversales que yo, tomándolos prestados, he adoptado en este edificio.”

Paxton tenía una comprensión intuitiva de los puntos fuertes de la azucena, pero recién ahora Thorogood y sus colegas profundizaron el estudio de los detalles mecánicos.

Cómo los nenúfares pueden soportar el peso

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

"Oh, Dios mío, he estado buscando esta oportunidad de subirme a un estanque y tocar un nenúfar", enfatiza Finn Box, investigador de mecánica de fluidos en la Universidad de Manchester, y autor principal del estudio. "Fue muy divertido."

Para crecer hasta 3 metros de ancho, mucho más grande que cualquier otro nenúfar, el nenúfar amazónico necesita ser fuerte. El tejido de la hoja entre las venas tiene solo un milímetro de espesor. El agua sobre la que flota la hoja soporta su peso, pero necesita resistir la lluvia de una tormenta tropical o el peso de un pájaro que camina sobre ella sin ser triturada y sumergida. 

“Una vez que una hoja se sumerge, perderá su espacio en la superficie donde puede realizar la fotosíntesis”, detalla Box.

El secreto del nenúfar amazónico es su prominente sistema vascular, una innovación biológica de la que carecen los nenúfares más pequeños: se asemejan a discos planos con venas delgadas que apenas se notan.

Box y sus colegas midieron la fuerza del lirio a través de una serie de pruebas de estrés. Primero, desprendieron una hoja de nenúfar de un metro de largo del tallo, la anclaron al barro y arrastraron la hoja hasta el borde del estanque. Evitaron cuidadosamente las feroces espinas de un centímetro de largo que cubren la parte inferior y protegen la hoja contra los peces que mordisquean.

Con una cámara, registraron cuánto sangraba y se deformaba cada hoja cuando la presionaban o colocaban peso sobre ella. Tales pruebas de estrés mostraron que las hojas de los nenúfares amazónicos eran mucho más rígidas y, en consecuencia, más fuertes que las hojas más pequeñas que se encuentran en otras especies de nenúfares más comunes.

Usando modelos de computadora y una muestra de prueba impresa en 3D, el equipo de investigación probó 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. Ellos endurecen y sostienen la hoja al mismo tiempo que le permiten rebotar elásticamente cuando se deforma, por ejemplo, por la pata de un pájaro, y lo hacen de una manera muy eficiente.

Nenúfares: qué beneficios puede traernos

El nenúfar amazónico prospera en partes estacionalmente inundadas de la cuenca del Amazonas, donde tiene unos seis meses para crecer antes de que el agua desaparezca nuevamente. Durante ese período, sus hojas gigantes y grandes le permiten absorber la máxima cantidad de luz solar.

Las venas que rodean las hojas permiten que el nenúfar cubra más área de superficie para la fotosíntesis mientras usa menos biomasa. En comparación, las hojas ordinarias de los lirios comunes más pequeños simplemente no podrían soportar tanto peso.

“Cuanto más grande sea su área de superficie, más fotosíntesis podrá hacer”, explica 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 rebabas de la planta de bardana y las superficies autolimpiantes de las hojas de loto.

La percepción de una gran hoja flotante no es tan descabellada; además de mejorar el diseño de estructuras flotantes, podría desbloquear nuevos diseños rentables para turbinas eólicas en alta mar o incluso sociedades flotantes de "mares". En 2008, el arquitecto belga Vincent Callebaut diseñó una ciudad flotante basada en la estructura de una hoja de lirio gigante llamada Lilypad: una ecópolis flotante para refugiados climáticos.

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

Hay algo poético en la idea de que algún día los humanos usen paneles solares que floten plácidamente en una plataforma inspirada en los nenúfares amazónicos para recolectar la mayor cantidad de sol posible, tal como lo ha hecho la planta durante millones de años.

“Es una idea similar”, compara Box. “Entonces, ¿por qué no podemos aprender de ejemplos naturales que han desarrollado una solución óptima?”