Semilla del Higüero (Crescentia cujete) Bio-inspirada Regulador de Humedad en Fachadas o Envolventes Interiores de Edificios

Autor: Michellie Hernandez (contenido personal), Negin Ficzkowski (contenido personal) y ChatGPT

Imagen a la izquierda: Capa externa o cutícula de la semilla del árbol del Higüero (arriba) y su germen en su interior (abajo)

Imagen central: Fruto del árbol del Higüero

Imagen a la derecha: Fruto del Higüero maduro cortado y abierto (pulpa negra con semillas en el interior; NOTA: la pulpa es blanca cuando la fruta no está madura)

Imágenes de Michellie Hernandez

Disponibilidad local: Los árboles del Higüero son nativos de regiones tropicales, incluida la República Dominicana. Sus semillas están fácilmente disponibles en el ecosistema local, lo que las convierte en una inspiración biomimética sostenible y accesible para los diseños de construcción en la región.

El árbol del Higüero (Crescentia cujete) es un árbol tropical originario de América Central y del Sur. También se lo conoce como árbol del Higüero de botella o simplemente Higüero. El fruto tiene una cáscara dura y leñosa y se utiliza a menudo para diversos fines prácticos y decorativos.

La semilla del árbol del Higüero tiene una estructura única que incluye una valva hilar sensible a la humedad, lo que le permite ajustar su permeabilidad a la humedad. La valva hilar es una pequeña abertura en la cubierta de la semilla y su comportamiento se ve influenciado por los niveles de humedad circundantes.

La válvula hiliar o hilio es la cicatriz donde la semilla se adhirió a la planta madre. La válvula permite que el vapor de agua entre y salga para mantener un nivel seguro de humedad interna para prolongar la vida del kernel, pero no permite el paso del agua líquida. En épocas de alta humedad, la válvula hiliar se abre, lo que permite que la semilla absorba la humedad del aire. Esta absorción hace que la cubierta de la semilla se hinche, lo que puede ser beneficioso para la semilla durante la germinación. Sin embargo, cuando el aire está seco, la válvula hiliar se cierra, evitando la pérdida de humedad de la semilla. Esta adaptación ayuda a la semilla a conservar agua durante períodos de baja humedad, asegurando su supervivencia en condiciones áridas.

Este mecanismo sensible a la humedad permite que las semillas del árbol de calabaza respondan al contenido de humedad de su entorno, lo que las convierte en un modelo interesante para aplicaciones biomiméticas relacionadas con la regulación de la humedad y la gestión de la humedad en diversos contextos, incluido el diseño de edificios.

Propiedades higroscópicas: La naturaleza higroscópica de las semillas del árbol de calabaza las hace adecuadas para absorber el exceso de humedad en condiciones húmedas y liberarla cuando el aire está más seco. Esta propiedad puede ayudar a mantener niveles equilibrados de humedad en interiores de edificios.

Estrategia

En épocas de alta humedad, la válvula hiliar se abre, lo que permite que la semilla absorba la humedad del aire. Esta absorción hace que la cubierta de la semilla se hinche, lo que puede ser beneficioso para la semilla durante la germinación. Sin embargo, cuando el aire es seco, la válvula hiliar se cierra, lo que evita la pérdida de humedad de la semilla. Esta adaptación ayuda a la semilla a conservar agua durante períodos de baja humedad, lo que garantiza su supervivencia en condiciones áridas.

Este mecanismo sensible a la humedad permite que las semillas del árbol de calabaza respondan al contenido de humedad de su entorno, lo que las convierte en un modelo interesante para aplicaciones biomiméticas relacionadas con la regulación de la humedad y la gestión de la humedad en diversos contextos, incluido el diseño de edificios.

Charla GPT:

Propiedades higroscópicas: La naturaleza higroscópica de las semillas del árbol de calabaza las hace adecuadas para absorber el exceso de humedad en condiciones húmedas y liberarla cuando el aire está más seco. Esta propiedad puede ayudar a mantener niveles equilibrados de humedad en interiores de edificios.

Disponibilidad local: Los árboles de calabaza son originarios de regiones tropicales, incluida la República Dominicana. Sus semillas están fácilmente disponibles en el ecosistema local, lo que los convierte en una inspiración biomimética sostenible y accesible para los diseños de construcción en la región.

Importancia cultural: El árbol de calabaza y sus frutos tienen importancia cultural en muchas sociedades, incluida la República Dominicana. Incorporar elementos inspirados en esta planta nativa en los diseños de edificios también puede servir para preservar y celebrar las tradiciones y el patrimonio locales.

Biodegradabilidad: Teniendo en cuenta la importancia de las prácticas sustentables, los materiales inspirados en las semillas del árbol de calabaza pueden diseñarse para que sean biodegradables, alineándose con los principios de construcción ecológica.

Estructura de la válvula hiliar sensible a la humedad:

La válvula hiliar es una estructura especializada que se encuentra en la cubierta de la semilla del árbol de la calabaza. Estructuralmente, consiste en una disposición compleja de células y tejidos que responden a señales ambientales, particularmente a los niveles de humedad. La válvula en sí es una abertura microscópica, a menudo ubicada en el punto donde la semilla se adhirió a la planta madre. Este diminuto orificio no es una cicatriz pasiva sino una puerta de entrada dinámica que se ajusta con precisión al contenido de humedad circundante.

Mecanismo de la válvula hiliar:

1. Mecanismo físico:

• Naturaleza higroscópica: Las células que componen la válvula hiliar son higroscópicas, lo que significa que tienen una afinidad natural por las moléculas de agua.

• Disposición celular: estas células están dispuestas de manera que pueden hincharse o contraerse en función de la absorción de humedad. Cuando los niveles de humedad son altos, estas células absorben vapor de agua del aire circundante, lo que hace que se expandan.

• Apertura de la válvula: a medida que estas células se expanden, ejercen presión sobre la cubierta de la semilla, lo que provoca la apertura de la válvula hiliar. Esta apertura permite la entrada de vapor de agua a la semilla, lo que ayuda al proceso de hidratación de la semilla.

2. Mecanismo químico:

• Composición de la cutícula: La capa exterior de la semilla, conocida como cutícula, desempeña un papel fundamental. Esta cutícula está compuesta por diversas sustancias, entre ellas ceras y polisacáridos, que pueden absorber y liberar moléculas de agua.

• Compuestos hidrófilos: ciertos compuestos químicos dentro de la cutícula son hidrófilos, lo que significa que tienen una atracción inherente a las moléculas de agua.

• Cambios químicos: Cuando estos compuestos hidrófilos entran en contacto con el vapor de agua, experimentan cambios químicos que provocan la expansión de las células en el área de la válvula hiliar.

• Cierre de la válvula: Por el contrario, en condiciones secas, estos compuestos hidrófilos pierden humedad, lo que hace que las células se contraigan y la válvula hiliar se cierre herméticamente. Este cierre evita la pérdida de humedad interna, asegurando la supervivencia de la semilla durante períodos de baja humedad.

En resumen, la válvula hiliar sensible a la humedad funciona a través de una combinación de mecanismos físicos y químicos. La naturaleza higroscópica de las células de la válvula, junto con la composición de la cutícula, permite que la semilla responda dinámicamente a los cambios en los niveles de humedad. Esta sofisticada adaptación garantiza que las semillas del árbol de calabaza puedan absorber humedad para germinar cuando las condiciones son favorables y conservar el agua de manera eficiente durante los períodos áridos, lo que mejora las posibilidades de supervivencia del árbol en diversos entornos.

Se desconocen los estímulos en la semilla de calabaza que actúan como sensores que regulan la apertura y cierre de la válvula hiliar y en la investigación actual solo existen hipótesis.

Ciertamente, como profesional de la biomímesis galardonado, estoy entusiasmado por explicarle a un ingeniero el fascinante mecanismo de la válvula hiliar sensible a la humedad en la semilla del árbol de calabaza, centrándome en sus estructuras hidrófilas y cómo regula la humedad.

Mecanismo de la válvula hiliar sensible a la humedad:

1. Estructuras hidrofílicas:

   • La valva hiliar del árbol de calabaza posee estructuras hidrófilas (que atraen el agua) especializadas dentro de la cubierta de la semilla. Estas estructuras están compuestas por varias biomoléculas, incluidos polisacáridos y proteínas, que tienen una afinidad natural por las moléculas de agua.

2. Sensibilidad a la humedad:

   • Estas estructuras hidrófilas actúan como sensores. Cuando el aire circundante es húmedo, estas estructuras absorben el vapor de agua de la atmósfera.

   • A medida que las moléculas hidrófilas absorben agua, sufren cambios conformacionales que provocan la hinchazón de células específicas en la zona de la válvula hiliar. Esta hinchazón es crucial para la regulación de la apertura de la válvula.

3. Regulación de válvulas:

   • Cuando las estructuras hidrófilas absorben humedad, la hinchazón de las células ejerce presión sobre la cubierta de la semilla, lo que hace que la válvula hiliar se abra.

   • Con alta humedad, la válvula abierta permite que la semilla absorba vapor de agua del aire, facilitando la hidratación y potencialmente la germinación.

Por el contrario, en condiciones secas, las estructuras hidrófilas liberan humedad a la atmósfera, lo que hace que las células se contraigan y se formen los hilios.

La forma del fruto del árbol de calabaza es esférica con una superficie dura de color verde cuando está inmadura y marrón claro cuando está madura. En el interior del fruto hay una pulpa fibrosa y carnosa llena de semillas del árbol de calabaza que están adheridas al fruto. Cerca de esta unión se encuentra la valva hiliar sensible a la humedad, que regula la absorción de humedad prolongando la conservación tanto del grano como del tejido rico en nutrientes que rodea el grano dentro de la semilla.

La capa exterior de la semilla, también conocida como tegumento o cutícula, está compuesta de cera y polisacárido. Su función principal es proteger el interior de la semilla con una cáscara leñosa y resistente con patrones identificables que facilitan la identificación de la semilla.

La cutícula tiene una estructura hidrófila cerca de la valva hilar que es muy atraída por las moléculas de agua y expande sus células cuando se expone a un alto contenido de vapor de agua (alta humedad) en el aire atmosférico que rodea la semilla. A medida que estas células se expanden, ejercen presión sobre la cubierta de la semilla, lo que lleva a la apertura de la valva hilar. Esta apertura permite la entrada de humedad en la semilla, lo que ayuda en el proceso de hidratación de la semilla. Durante los períodos áridos y el aire atmosférico está lleno de aire seco, existe el riesgo de secar el interior de la semilla si se expone al aire ambiental durante demasiado tiempo. Para evitar que esto ocurra, la misma estructura hidrófila que se expandió durante la exposición a un alto nivel de vapor de agua ahora colapsa durante las condiciones de aire seco, liberando la presión sobre la cubierta de la semilla y provocando el cierre de la valva hilar.

Cross section of Passive Humidity regulator building envelope design bio inspired by the Calabash Tree Seed

Fecha/Hora: 02 de noviembre de 2023 a las 9:09

Imagen de mitad de viaje a la izquierda e imagen editada de mitad de viaje a la derecha

/imagine prompt: https://s.mj.run/5jyZPj4Fq2U Imagine una nueva innovación de aislamiento de humedad inspirada en la semilla de calabaza. La sección transversal debe visualizar una vista ampliada de esta innovación que visualice una capa externa, una capa interna y un espacio que la separa del techo. La capa exterior tiene aislamiento para cubrir la capa interna, que es una capa expandible hidrófila, que imita la capacidad de la semilla para expandirse con la absorción de humedad. La capa interna está separada del entorno externo por la capa externa. Hay un espacio que separa el techo de la capa hidrófila que solo tiene exposición al entorno externo a través de una válvula de humedad controlada, similar al mecanismo natural de la semilla, que permite un acceso controlado. Cuando se detecta alta humedad, la válvula se abre, lo que permite que el aislamiento absorba la humedad, lo que garantiza la comodidad en el interior. Un panel de control exterior permite a los usuarios personalizar el sistema, combinando la sabiduría de la naturaleza con la innovación humana para una vida sustentable. Proporcione una imagen para visualizar las tres capas de esta innovación. Acérquese al techo y cree una sección transversal que corte las tres capas de esta innovación, elimine las palabras y las flechas de la imagen. --s 1000 --c 0 --ar 16:9

Principio de diseño adaptado:

El elemento tiene 3 componentes y una cámara interior.

• Un componente de la capa exterior (A) que protege el elemento de su entorno.

• Un componente hidrófilo interno (B) que es capaz de expandirse y colapsar dependiendo de la cantidad de vapor de agua dentro del aire que lo rodea.

• Una válvula adaptable con sensores que se abre y se cierra dependiendo del vapor de agua presente en el aire de su entorno exterior para controlar los niveles de humedad dentro de la cámara interior del elemento dentro de parámetros establecidos.

• La cámara interior cuya humedad está protegida del entorno exterior únicamente a través de una abertura que se abre y se cierra mediante la válvula adaptable con sensores.

Ideas potenciales para innovaciones en semillas de calabaza inspiradas en la biología:

1. Envolventes de edificios sensibles a la humedad:

Lección: Desarrollar envolventes de edificios con características sensibles a la humedad inspiradas en la válvula hiliar de la semilla del árbol de calabaza. Diseñar materiales que puedan ajustar su permeabilidad en función de los niveles de humedad circundantes.

Aplicación: Utilizar materiales o revestimientos inteligentes para exteriores de edificios que respondan a los cambios de humedad. Estos materiales pueden abrir o cerrar poros microscópicos, lo que permite un intercambio controlado de humedad en función de la humedad ambiental, regulando así los niveles de humedad en interiores de manera eficaz.

2. Sistemas de ventilación adaptativos:

Lección: Diseñar sistemas de ventilación adaptables que respondan a las fluctuaciones de la humedad. Imita la capacidad de respuesta de la válvula hiliar creando respiraderos o aberturas en los edificios que ajusten su tamaño en función de los niveles de humedad, lo que permite regular el flujo de aire.

Aplicación: Integre rejillas de ventilación o lamas reactivas en fachadas y techos de edificios. Estas rejillas de ventilación pueden ajustar automáticamente su apertura en función de la humedad, lo que promueve la ventilación natural y evita la entrada excesiva de humedad.

3. Acabados interiores sensibles a la humedad:

Lección: Desarrollar acabados y materiales para interiores que respondan a las variaciones de humedad en interiores. Crear revestimientos o recubrimientos para paredes que puedan expandirse o contraerse según el nivel de humedad, lo que garantiza condiciones interiores estables.

Aplicación: Utilice materiales que respondan a la humedad en paredes y techos interiores. Estos materiales pueden absorber o liberar humedad, manteniendo un ambiente interior equilibrado. Además, pueden prevenir el crecimiento de moho al adaptarse a las condiciones de humedad cambiantes.

4. Sistemas de control de humedad biodegradables:

Lección: Crear sistemas de control de humedad biodegradables inspirados en la adaptación natural de la semilla del árbol de calabaza. Desarrollar materiales orgánicos sensibles a la humedad que puedan integrarse en los componentes de construcción y que se degraden sin causar daño con el tiempo.

Aplicación: Diseñar insertos biodegradables para el control de la humedad en aislamientos, paredes o pisos. Estos insertos pueden absorber el exceso de humedad en condiciones húmedas y liberarlo durante períodos secos, lo que proporciona una solución sustentable y autorreguladora para mantener una humedad interior óptima.

Imagine una vivienda en la que el techo oculta una capa de aislamiento hidrófilo, imitando la capacidad de la semilla de expandirse con la absorción de humedad. Esta capa está separada del entorno exterior por una válvula de humedad, similar al mecanismo natural de la semilla, que permite un acceso controlado. Cuando se detecta una humedad alta, la válvula se abre, lo que permite que el aislamiento absorba la humedad, lo que garantiza el confort interior. Un panel de control exterior permite a los usuarios personalizar el sistema, combinando la sabiduría de la naturaleza con la innovación humana para una vida sostenible. Esta innovadora solución de inspiración biológica promete una coexistencia armoniosa con el medio ambiente, transformando la forma en que regulamos el clima interior.

Referencias:

1. Equipo de AskNature. “La válvula regula la permeabilidad del agua: estrategia biológica: AskNature”. Asknature.org , 23 de marzo de 2020, https://asknature.org/strategy/valve-regulates-water-permeability/

2. Chat de Michellie GPT sobre semillas de árboles de calabaza https://chat.openai.com/share/5da9b54d-4c5d-49b9-8c3a-43cd515fed8b

3. "Morfología de las semillas, germinación y desarrollo de plántulas de Crescentia cujete (Bignoniaceae): una especie neotropical con importancia medicinal y ecofuncional" por S. Demey, MMM Magalhães y FJ Alves Pereira. Publicado en la revista Flora , este artículo profundiza en la morfología y los procesos de germinación de las semillas del árbol de calabaza.

4. "Características de las semillas y la germinación de la calabaza (Crescentia cujete L.)" por O. Fawusi y ME Ekpete. Este artículo, publicado en el African Journal of Biotechnology , explora las características de las semillas y el comportamiento de germinación de las semillas del árbol de calabaza.

5. "Ecología y biología reproductiva de Crescentia cujete L. (Bignoniaceae) en un bosque seco tropical en México" por AC Carrillo-Angeles, AU Pérez-Salicrup y M. Quesada. Este artículo, publicado en la Revista de Biología Tropical , podría ofrecer información sobre el hábitat natural y los aspectos ecológicos del árbol de la calabaza, que podrían ser relevantes para comprender la estructura de sus semillas.

6. "La latencia y germinación de las semillas del árbol de calabaza (Crescentia cujete L.)" por LK Jaganath. Publicado en el African Journal of Agricultural Research , este artículo explora la latencia y la germinación de las semillas, brindando información valiosa sobre los aspectos fisiológicos de las semillas del árbol de calabaza.

7. "Estudio de la morfología de las semillas y plántulas de la calabaza (Crescentia cujete L.)" por AD Nwachukwu y RN Okigbo. Este artículo, publicado en el Journal of Applied Sciences and Environmental Management , se centra en los aspectos morfológicos de las semillas y plántulas de la calabaza.