La naturaleza es sabia. Y el ser humano lleva imitando sus formas y procesos desde hace siglos, emulando el diseño de plantas y animales para adaptarlas a innovaciones de todo tipo, desde un tejido inspirado en los armadillos hasta una pintura que copia a las mariposas para enfriar 10 grados la temperatura sin consumir energía.

Con esa intención, la de encontrar maneras de reducir el consumo energético de los sistemas de aire acondicionado de los edificios, un equipo de investigadores de la Universidad de Stuttgart lleva años desarrollando FlectoLine, una fachada adaptativa capaz de regular la luz entrante y la temperatura.

Los ingenieros del Instituto de Estructuras de Edificación y Diseño Estructural (ITKE) y el Instituto de Tecnologías Textiles y de Fibras (ITFT) de la Universidad de Stuttgart, han llevado sus estudios científicos a la realidad: la fachada de un invernadero del Jardín Botánico de Friburgo, donde lleva operando desde hace 2 años.

Este prototipo ha demostrado su capacidad para reaccionar en tiempo real a las condiciones climáticas, ayudando a optimizar la eficiencia energética y el confort interior. Su rendimiento le ha servido para ganar el premio especial en la primera edición de los Premios para las Innovaciones Bioinspiradas de Baden-Württemberg.

Además, FlectoLine cuenta con ventaja con respecto a otros sistemas, ya que integra superficies fotovoltaicas para ser autosuficiente e incorpora un controlador con aprendizaje automático que 'predice' la mejor configuración posible en distintos escenarios.

“El sistema de prueba instalado en Friburgo se basa en más de diez años de investigación. Es el primer demostrador exterior a gran escala y totalmente funcional de una fachada adaptativa fabricada con compuestos plegables reforzados con fibra”, sostiene Edith A. Gonzalez, investigadora asociada del ITKE, en un comunicado de prensa.

Diseño y funcionamiento

Las fachadas adaptativas son una de las innovaciones que van a marcar el futuro de la arquitectura. Se basan en distintos diseños para permitir que la parte exterior de los edificios reaccione a cambios en el ambiente para adaptarse a las necesidades de los que viven o trabajan en su interior.

Para lograrlo, estas fachadas usan materiales especiales, sensores y sistemas automáticos diseñados para actuar en tiempo real y ayudar a ahorrar energía y reducir las emisiones de CO2.

Una de las funciones principales de las fachadas adaptativas es controlar la entrada de la luz del sol, la ventilación y la temperatura interior, el ejemplo perfecto de cómo la tecnología y la arquitectura pueden trabajar juntas para crear espacios más sostenibles.

En el caso de FlectoLine, el primer paso de los investigadores de la Universidad de Stuttgart fue identificar los modelos naturales en los que basar su innovadora tecnología.

La habilidad de la planta atrapamoscas (Aldrovanda vesiculosa) a la hora de cerrar sus trampas para capturar pulgas de agua y otros insectos sirvió para el diseño general del sistema. Por su parte, la chinche rayada "proporcionó ideas sobre la estructura material de los elementos de sombreado", según Matthias Ridder, investigador asociado en ITFT.

"Al variar la rigidez en diferentes áreas de sus alas, la chinche rayada (Graphosoma italicum) puede deformarlas con precisión para realizar movimientos muy exactos", algo que han replicado en los paneles de sombreado de FlectoLine.

Tras una década de desarrollo e investigaciones previas, como FlectoFold y FlectoSol, los ingenieros alemanes han desarrollado esta fachada adaptativa que emplea mecanismos flexibles y logra una deformación elástica sin bisagras.

Para lograrlo, replicaron las zonas motoras y las venas de las alas de la chinche rayada. Estas venas, rodeadas de materiales rígidos y flexibles, guían el plegado mediante la distribución asimétrica del material, lo que reduce tensiones y determina la dirección del movimiento.

Así, FlectoLine está compuesto por placas de composite reforzado con fibra, que integran actuadores de aire comprimido en forma de cojines o cámaras neumáticas.

Al presionarse, estos cojines doblan los paneles hacia la zona más flexible, generando un movimiento de flexión sin necesidad de conexiones mecánicas externas. Este sistema funciona con baja presión (de 0,3 a 1,5 bares) y almacena energía elástica para recuperar la posición inicial una vez liberada esa presión.

Se desarrollaron dos tipos de materiales: uno basado en compuestos híbridos con capas elásticas y rígidas, y otro con termoplásticos reforzados con fibra de vidrio unidos por adhesivos elásticos. Ambos cuentan con una capa protectora resistente a la intemperie y cumplen con normas de resistencia al fuego, garantizando su durabilidad y estabilidad por al menos 15 años.

Para optimizar el rendimiento, se creó un gemelo digital para simular en tiempo real la iluminación, la temperatura y la producción energética. Ese proceso sirve para recopilar datos de sensores y pronósticos meteorológicos, lo que permite ajustar automáticamente los ángulos de los paneles para equilibrar el confort interior, la eficiencia energética y la generación fotovoltaica.

Finalmente, los materiales y mecanismos fueron sometidos a rigurosas pruebas de resistencia al viento y ciclos de flexión de hasta 90 grados, superando los 20.000 ciclos para asegurar su fiabilidad a largo plazo.

Instalación y pruebas

Instalado en 2023 en uno de los invernaderos del Jardín Botánico de la Universidad de Friburgo, la prueba de concepto de FlectoLine ocupa 83,5 m2 y consta de 101 elementos de sombreado, fabricados con laminados de plástico reforzado con fibra.

Las dimensiones de cada uno de los componentes se han calculado para ofrecer los mejores resultados posibles, con tamaños que van desde los 0,81 × 0,86 metros hasta los 1,50 × 1,31.

Los módulos requieren una presión de 0,4 bares para accionarse completamente a un ángulo de 90°, demostrando su eficiencia en movimiento. Se incorporaron células fotovoltaicas orgánicas de película fina al diseño para captar la energía solar, garantizando que la fachada pueda satisfacer sus necesidades energéticas de forma independiente.

El funcionamiento es muy básico: cuando hace frío, las solapas se pliegan para dejar pasar la mayor cantidad posible de luz y calor hacia el interior del edificio. Por contra, cuando hace calor, los elementos se despliegan para proporcionar sombra y enfriar el interior.

"Con FlectoLine, hemos demostrado con éxito el gran potencial de las fachadas adaptativas en este sentido", señala Edith A. González como conclusiones de la investigación. "FlectoLine maximiza el confort y la funcionalidad del edificio, a la vez que mejora la eficiencia energética y reduce las emisiones de CO2", concluye.