Biomimética no desenvolvimento de comboios de alta velocidade no Japão – Inspiração no Guarda-Rios

A biomimética é uma ciência que se inspira nos seres vivos, desde microrganismos, até à flora e à fauna, com o objetivo de melhorar ou desenvolver novos materiais, técnicas ou estruturas, equipamentos, edifícios, e até medicamentos, entre outros, para resolver problemas relacionados com as diversas atividades antropogénicas, tanto ao nível social, industrial, arquitetónico, económico e mesmo farmacêutico (Fig. 1).

Figura 1. Conjunto de fotografias que mostram exemplos de várias áreas onde se aplica a biomimética. A: a flor-de-lótus tem a capacidade de manter as suas pétalas limpas, dado que consegue repelir a sujidade que acumula com as gotas de água da chuva; esta característica serviu de fonte de inspiração para desenvolver diversos materiais, como tintas, vidros e faróis de carros, o que dispensa o uso de detergente durante as lavagens. B: as turbinas eólicas inspiradas no contorno das barbatanas onduladas da baleia-jubarte produzem turbinas muito mais eficientes. C: inspirada na organização do trabalho das abelhas, uma empresa criou controladores de energia nas redes elétricas, sem fios e com maior eficiência que os anteriormente utilizados. D: uma equipa de investigadores desenvolveu uma agulha extremamente fina, da ordem dos nanómetros, sendo extremamente precisa e que tem como objetivo não provocar dor e ser menos invasiva, baseada na morfologia da probóscide dos mosquitos. E: o edifício de Eastgate, no Zimbabué, foi desenhado com base nas enormes e sofisticadas termiteiras construídas por minúsculos insetos; com esta forma e orientação o edifício tem um fluxo de ar constante, o que o torna muito mais eficiente em termos energéticos. F: a morfologia e revestimento da pata das osgas (milhares de cerdas muito finas e que terminam em espátula) serve de inspiração para o desenvolvimento de diversos robots e de numerosos materiais, como fita-colas sofisticadas.

 O principal interesse da biomimética deve-se ao facto de se basear na Natureza, a qual evoluiu de forma altamente eficiente, otimizando milhares de processos e sistemas ao longo de 4,1 mil milhões de anos de história evolutiva da vida na Terra. Estas soluções são adequadas e otimizadas para os inúmeros problemas e desafios que os organismos vivos (microrganismos, plantas e animais) têm que ultrapassar para sobreviver e se reproduzirem nos seus habitats (Benyus, 2002).

Esta temática não é nova, na medida em que o Homem desde sempre inspirou-se na Natureza, usando peles de animais para se proteger, e até mais tarde, no século XIV e XV, tentou voar procurando imitar o voo das aves. Hoje, essa bioinspiração no mundo vivo continua, mas de uma forma mais sistemática, mais aplicada e com objetivos bem definidos (Bello et al., 2013).

Um dos exemplos é a bioinspiração numa ave, que foi utilizada para melhorar a forma do nariz dos comboios de alta velocidade no Japão (Sanyo Shinkansen Line), nomeadamente os que percorrem zonas com relevo acidentado e com numerosos túneis (caso de Osaka a Hakata).

Estes comboios, por circularem a alta velocidade (cerca de 300 km/h), produzem uma elevada compressão das ondas sonoras ao entrarem nos túneis extensos, originando um estrondo intenso no lado oposto, à saída do túnel (Fig. 2). Este estrondo e as vibrações produzidas, incomodam os passageiros que viajam no comboio, as pessoas que vivem nas redondezas da saída dos túneis, os animais selvagens, podendo até a médio prazo provocar danos/fissuras no próprio túnel.

Figura 2. Esquema do “efeito de pistão”, provocado pela entrada de comboios de alta velocidade em túneis longos e com uma só via, e que produz vibrações e um estrondo sonoro intenso á saída do túnel principalmente quando a frente do comboio é pouco aerodinâmica (esquema adaptado de Kurita et al., 2002).

Para resolverem este problema, os engenheiros procuraram uma solução baseada num animal que possuísse adaptações anatómicas e morfológicas que lhe permitem passar de forma rápida de um meio para outro, tendo sido selecionado o guarda-rios, Alcedo atthis (Biomimicry institute, 2014).

Figura 3. Fotografia de um guarda-rios (Alcedo atthis) em cima de um poleiro, junto ao rio Corgo, na qual podemos observar o bico muito comprido e aguçado (foto gentilmente cedida por Nuno Silva).

O guarda-rios é uma pequena ave piscívora, cujo peso de um adulto varia entre 35-45 gr, tamanho de 16 cm e envergadura de asas de aproximadamente 25 cm. Vive junto a linhas de água, onde pesca pequenos peixes, mas também invertebrados e até pequenos anfíbios. Nos estuários pode alimentar-se de solhas juvenis, pequenos caranguejos e ocasionalmente enguias jovens (Rio, 2015).

O guarda-rios observa a presa desde um poleiro que pode ser um ramo (Fig. 3), ou uma rocha na margem do rio, definindo a estratégia e o momento certo para mergulhar e tentar capturar o peixe. Se não tiver poleiro também pode ficar a pairar no mesmo sítio até mergulhar. O animal terá que fazer ainda uma avaliação correta da posição exata do peixe por causa da difração da luz provocada pela água. Esta avaliação não é fácil, e para isso a ave abana a cabeça lateralmente para melhorar a localização exata da presa.

Figura 4. Fotografia de um guarda-rios a mergulhar, na qual podemos observar o perfil hidrodinâmico do bico e a sua coloração azulada (foto gentilmente cedida por Carlos Rio).

Esta ave mergulha a partir do ar, um meio com baixa resistência, para a água que tem elevada resistência (Fig. 4). A facilidade de entrada no meio aquático é conseguida de forma eficaz, devido à forma e tamanho muito longo e desproporcional do bico.

Durante a entrada na água o seu bico afiado e comprido minimiza a produção de vibrações e respingos, minimizando a produção de som o que facilita a captura dos peixes que se encontram próximo da superfície e desprevenidos de um ataque quase invisível (Fig. 5).

Figura 5. Esquemas que mostram a importância da forma do bico aquando da entrada na água de aves piscívoras. Do lado esquerdo, o bico afiado e comprido minimiza a produção de vibrações e som facilitando a captura do peixe que se encontra próximo do local de entrada na água, ao contrário do bico com forma mais eliptico e mais curto, no esquema da direita (esquema gentilmente cedido por João Soares Carrola, adaptado de E. Harrington).     

O sucesso do mergulho será tanto maior quanto menos fundo estiver o peixe e quanto menor for o ângulo de entrada na água. Estas aves quase não desaparecem dentro da água, ou se isso acontecer só afundam totalmente alguns centímetros. Esta ave é muito rápida a entrar e sair da água, não demorando mais do que 1 a 2 segundos. Esta característica pode ser um resquício da evolução, pois desta forma reduz a probabilidade de ser capturada por peixes predadores, algo comum em zonas tropicais.

Figura 6. Momento de descanso de um guarda-rios macho, apresentando o bico todo negro enquanto que as fêmeas apresentam a parte inferior do bico de cor vermelho-laranja. Podemos apreciar a sua morfologia típica, um bico longo e afiado, uma cabeça grande, uma cauda bastante curta e a plumagem cujas cores variam muito com a luminosidade envolvente (Foto gentilmente cedida por Armindo Alves).

A forma hidrodinâmica/aerodinâmica do corpo do guarda-rios facilita a sua entrada na água, permitindo reduzir o ruído no mergulho, o que conduz a um maior sucesso na captura de peixes, ou outras presas (Fig. 6). Esta ave não sem ter necessidade de mergulhar demasiado fundo e tem que ter cuidado para não chocar com as pedras ou rochas, o que implicando também que tenha uma elevada facilidade de manobra para sair da água. Se a ave estiver pousada numa rocha junto á água, desde o salto para realizar uma tentativa de pesca até regressar ao poleiro (com ou sem peixe), demora em média 3 a 4 segundos.

Se o mergulho for bem-sucedido, a ave volta ao poleiro para ingerir o peixe (Fig. 7). Caso este seja grande e estiver a debater-se, vai atordoá-lo primeiro batendo com a cabeça do peixe contra o poleiro, e só procede à ingestão quando o peixe está virado de cabeça para o interior da boca.

Figura 7. Regresso ao poleiro, no qual a ave vai atordoar e ingerir o peixe (foto gentilmente cedida por Carlos Rio).

A equipa japonesa que desenhou e desenvolveu o nariz do comboio de alta velocidade inspirou-se nas características morfológicas do guarda-rios, principalmente na forma do bico. Tanto a parte superior como o inferior do bico deste pássaro têm secções transversais triangulares com os lados dos triângulos curvos. Usando simulações informáticas, os engenheiros testaram várias formas do nariz do comboio sendo selecionado o formato semelhante ao bico do guarda-rios. Esta nova forma reduziu drasticamente o efeito de boom sonoro, e permitiu aumentar a velocidade e diminuir o consumo energético.

Com este novo desenho do nariz do comboio de alta velocidade japonês (também chamado de Bullet Train), os investigadores conseguiram diminuir o ruído aquando da entrada dos comboios nos túneis em cerca de 25%, além de terem sido capazes de melhorar a eficiência no consumo de energia elétrica e de conceber comboios ainda mais rápidos (Mara, 2013), com uma redução de 30% na resistência ao ar (Fig. 8).

É de realçar também, que neste comboio Shinkansen 500-series, os faróis estão localizados numa posição análoga às narinas da ave (Benyus, 2002).

Figura 8. Fotomontagem com a fotografia do bico do guarda-rios e a fotografia do comboio de alta velocidade no Japão (Shinkansen 500-series), na qual podemos observar a frente do comboio vista de perfil, relativamente comprida e bastante aerodinâmica. É de realçar a posição e forma dos faróis, baseadas nas narinas da ave (foto A: gentilmente cedida por Carlos rio e foto B retirada de: http://www.np-id.com).

O comboio Shinkansen 500-series, entrou ao serviço comercial em março de 1997 para a Companhia Japonesa de Comboios, e foi descontinuado em 2010, tendo sido foi desenvolvido um outro modelo, série 700, com várias melhorias em termos de aerodinâmica, bem como na redução de ruído produzido, tanto fora como dentro do comboio, entre outras.

Figura 9. Fotografia de um dos comboios de alta velocidade utilizados atualmente no Japão N700-700 Z15. Este comboio apresenta uma frente com performance aerodinâmica superior – aero double wings type. 

Esta nova frente do comboio, algo achatada (Fig. 9), permite fazer as curvas a velocidades mais altas, sem produção de ondas de micropressão em túneis. Estes comboios apresentam outras alterações significativas na transição entre carruagens, com forma mais contínua para reduzir a fricção do ar e produção de ruído, e uma nova suspensão que facilita a realização de curvas a alta velocidade. Para desenvolver esta nova frente utilizaram-se técnicas analíticas sofisticadas (com base em algoritmos genéticos) também usadas para desenvolver as asas dos aviões. O comprimento do “focinho” foi aumentado para 10,7 m, e foram feitas cerca de 5000 simulações em túneis de vento.

João Soares Carrola1, Márcia Sousa2 e Jorge Ventura Ferreira Cardoso1

1 Departamento de Biologia e Ambiente, Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, Vila Real

2Aluna de Mestrado em Biotecnologia para as Ciências da Saúde, Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, Vila Real

AGRADECIMENTOS

Fotógrafos Nuno Silva, Carlos Rio e Armindo Alves.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

Bello et al. (2013). Biomimetic Materials in Our World: A Review. 5(3), 22–35;

Benyus, J.M. (2002). Biomimicry: Innovation inspired by nature (Perennial). New York;

Biomimicry Institute (2014). Retrieved from http://biomimicry.org/biomimicry-examples;

Kurita et al. (2002). Development of Train Nose Shape for Reducing Micro-pressure Waves, (1), 22–28;

Mara, W. (2012). From Kingfishers to… Bullet Trains. Retrieved from https://books.google.pt/books?id=w0W8BgAAQBAJ&dq=anatomy++kingfisher&hl=pt-PT&source=gbs_navlinks_s;

Rio, C. (2015). Guarda-rios… o raio azul! (Quercus – Associação Nacional de Conservação da Natureza, Ed.). Fão – Portugal. pp112.