TDX II Análisis, procesos, materialidad by Gibsy M. Estrada Calderón

SISTEMAS MATERIALES Análisis + Procesos + Materialidad

Este contenido académico es realizado a través de la Universidad Michoacana San Nicolás de Hidalgo de la Facultad de Arquitectura, en el Posgrado de Maestría de Diseño Avanzado 2019-2021. Todo el contenido generado y presentado en este documento se ha producido en para el taller de diseño Experimental con la tutoría de M. en D. Gibsy M. Estada Calderón y el M. En D. Carlos Perea García, con Javier Álvarez Durán como estudiantes del proyecto que se indica en esta bitácora visual.

2020

Tutor: M. en D. Gibsy M. Estada Calderón M. En D. Carlos Perea García

Autor:

Javier Álvarez Durán

ÍNDICE Introducción Objetivos Metodología

Biomimética + Diseño experimental Análisis

2 6 10

Definición + Biologizar + Descubrir + Abstraer + Emular. Procesos

Digitales + Análogos Sistema

Conclusiones

Bibliografía

INTRODUCCIÓN

complejo escalable con proliferaciones en diversos sentidos. Esta distribuido en tres grandes apartados que son el análisis, los procesos y la materialidad. El análisis se deriva de una metodología sustraída de la biomimética, se siguen los pasos que se requieren para obtener información de la naturaleza para la resolución de problemas complejo. Esta metodología es utilizada comúnmente como un mecanismo de innovación. Los procesos utilizados y documentados están basados por un lado con exploraciones formales y funcionales a través del uso de software de modelado 3d que, en combinación con procesos de producción análogo, se informan mutuamente en un proceso de iteración con mejoras sobre el producto en desarrollo. La materialidad ocurre durante la fabricación del prototipo, el contacto directo y la manipulación háptica de los diferentes materiales seleccionados revelan sus características particulares, así como una gran cantidad de información para su entendimiento y manipulación.

OBJETIVOS

Los objetivos de esta investigación se pueden puntualizar de la siguiente manera:

1. Implementar una metodología de diseño experimental, en combinación con uso de la biomimética.

2. Generar un sistema con base en el análisis de una estructura natural compleja a través de la abstracción de sus patrones de crecimiento, comportamiento y proliferación.

3. Desarrollo de modelos análogos y digitales para su exploración morfológica.

4. Elaborar un prototipo final que contenga las siguientes variables Tridimensional Escalable Replicable Autoportante

METODOLOGÍA Biomimética + Diseño experimental

Biomimética Es una nueva ciencia que estudia las mejores ideas de la naturaleza y después imita sus diseños y procesos para resolver problemas humanos. La biomimética es un método por medio del cual los diseñadores e ingenieros hacen investigaciones biológicas para determinar cómo los organismos resuelven problemas complejos, es decir, cómo usan la información obtenida a lo largo de millones de años de evolución para obtener un diseño.

PROCESO DE INNOVACIÓN

Emular

Definir

La evolución biológica como principio, es la naturaleza la que ha experimentado varias soluciones a sus desafíos y mejorado las más exitosas. Ese tipo de pensamiento ha sido aplicado en contexto para la innovación, donde, se han estado desarrollando una gran cantidad de nuevos productos o mejoras a elementos existentes tales como pegamentos no tóxicos, medios de transporte, estructuras muy resistentes y ligeras, sensores, redes neuronales y otros más. Por medio de la evolución, la naturaleza ha experimentado varias soluciones a sus desafíos y mejorado las más exitosas. Los animales, las plantas y los microbios son organismos consumados. A lo largo de su evolución han acertado en lo que funciona, lo que es apropiado y lo que perdura en la Tierra. Los procesos de la naturaleza también involucran el escalamiento de lo nano y micro a lo macro y mega. Los archivos de los sistemas vivientes envuelven y acumulan in formación, codificándola en los genes de las especies y pasando así la información de una generación a otra por medio de su propia réplica. 11

Abstraer

Descubrir

Biologizar

Fig.01 Diagrama del proceso biomimetico para la innovación

Según The Biomimicry Institute (2015), es la práctica de aplicar las lecciones provenientes de la naturaleza y se enfoca en el entendimiento, la aprehensión y la emulación de estrategias utilizadas por seres vivos con la intención de generar soluciones sostenibles. Dichas soluciones se pueden materializar a través de tres niveles que van desde lo más superficial hasta lo más profundo de la disciplina y son las siguientes:

1. Forma

Es la imitación de los rasgos formales de los seres vivos. Estos rasgos están supeditados a una o varias funciones específicas. Este puede o no llevar sostenibilidad. 2. Proceso Este nivel involucra todo lo relativo a procesos naturales y cómo se pueden reproducir en un diseño o tecnología. En este nivel, la sostenibilidad es parte íntegra del resultado.

3. Sistema Esta fase implica la integración de las partes en el todo, representa el cómo nuestros productos son ingredientes de un sistema amplio y complejo, donde se interrelacionan de manera orgánica. Si un producto en su ciclo de vida interrumpe algún proceso dentro del sistema, no se puede considerar sostenible.

Fig.02 Ejemplo de biomimeéica aplicada

Diseño experimental Es un estudio de investigación en el que se manipulan deliberadamente una o más variables independientes (supuestas causas) para analizar las consecuencias de esa manipulación sobre una o más variables dependientes (supuestos efectos), dentro de una situación de control para el investigador. Sus principales objetivos son: -

Conocer cómo funciona un proceso, estudiar las variables que le afectan y, obtener la información necesaria para su mejora.

conocer cómo afectan los cambios al proceso y por lo tanto que margen de variabilidad nos podemos permitir.

Observar las consecuencias por medio de una acción aplicada deliberada o intencionalmente

EXPERIMENTO

Manipulación intencional de una o más variables

Medir el efecto de la variable

Comparación

Iteración

El diseño experimental se encuentra dentro del método experimental y será la vía a través de la cual llevará a cabo su experimento. Es la definición de cuáles serán los pasos que seguirá el investigador para lograr el objetivo del estudio. Fig.03 Diagrama del proceso de experimentación

ANÁLISIS Definición + Biologizar + Descubrir + Abstraer + Emular

Definición Creación de un sistema modular que contenga las características naturales del objeto de estudio por medio de un prototipo que contenga cuatro variables, 1. tiene que ser tridimensional, 2. sus características propias deben permitir su escalabilidad, 3. poderse replicar, 4. deberá ser autoportante. El sistema deberá tomar en cuenta los patrones de crecimiento, comportamiento y proliferación del sistema complejo analizado.

Biologizar El problema planteado en la definición es contextualizado en un tema biológico, esto con la finalidad de acotar y dirigir la investigación hacia sistemas complejos con características semejantes a las buscadas. Después de una búsqueda y comparación de información de tres sistemas distintos, se determinó que la mariposa es el mejor objeto de estudio, específicamente basado en las escamas de sus halas.} Las mariposas reciben el nombre científico de lepidópteros (significa alas escamosas), porque sus alas están recubiertas por miles de escamas diminutas e imbricadas. Su inmensa diversidad y su gran capacidad para adaptarse a cualquier clima, las sitúa entre las criaturas con más éxito evolutivo de la tierra.

Fig.04 Acercamiento a un ala de mariposa

Descubrir Al estudiar las imágenes micrométricas de las alas de una mariposa a 150x encontraron una estructura similar al de las “escamas” o “tejas” de una casa, todas ellas están dispuestas sobre las alas, superpuestas entre sí. Estas escamas cubren una membrana que es respaldada y alimentada por las venas.

En una escala mas profunda, 2000x localizamos una serie de surcos longitudinales generados por una estructura mas notoria, ambos en disposición paralela sobre toda la superficie de la pequeña escama que tiene la función de estructurarla como elementos principales. Una segunda estructura es visible a 50000x, un tejido en forma de red que sirve para rigidizar, al mismo tiempo que une toda estructura principal. Si observamos detenidamente encontraremos que estas dos estructuras trabajan en conjunto, pues permite mantener su estructura rígida y fuerte flexible al mismo tiempo.

Fig.05 micrografías de escamas de mariposa

Podemos observar un determinado espesor de los dos elementos, el principal mas alto que el secundario, ambos en sentido perpendicular a la membrana, creando un sistema poroso que permite aligerar la estructura de la pequeña escama. Su sistema poroso cumple también con la finalidad de liberar distintas cantidades de calor en diferentes zonas de una misma ala. La estructura interna esta determinada por medio de formas orgánicas, muy semejante a una estructura de arcos que distribuye las cargas a la que es sometida dentro de todo el sistema complejo. Las nervaduras además de tener la función de soportar el peso y distribuirlo, también es el modo en que el sistema se mantiene unido, determinamos entonces que su proliferación es a través del sistema de nervaduras.

Fig.06 Acercamiento a las estructuras de la escama

Notamos que existen una estructura que proporciona diferentes soluciones entre si, creando un alto nivel de adaptación, rendimiento y eficiencia de sus recursos, de los cuales podemos puntualizar y retomar las siguientes Características del sistema estructural para dar solución al problema planteado.

Sistema complejo

1. Autoportante Su estructura es capas de soportar todo el peso de la escama, así como su apilamiento de las nervaduras unas sobre otras sin sufrir ningún deterioro estructural o cambio morfológico. 2. Estructura

Permeable

Estructura

Ligero

Autoportante

El crecimiento y proliferación del sistema estructural es a través de la unión de pequeñas nervaduras. 3. Ligereza El mismo sistema de proliferación genera huecos entre las nervaduras, esta porosidad elimina gran parte del peso de la estructura, las cargas se van distribuyendo únicamente a través de las pequeñas estructuras permitiendo una apariencia muy liviana. 4. Permeabilidad Los huecos entre la estructura tienen otra función adicional al de aligerar el peso de la estructura, por medio de ellos se puede permitir el paso de diferentes elementos, como el flujo de agua, polvo o aire. Fig.07 Elementos a utilizar para el sistema

Abstraer En este apartado se estudian las características morfológicas y las características de las estrategias biológicas seleccionadas con la finalidad de traducirla al diseño. En la imagen contigua se analiza un patrón de estructuración, proliferación y unión de escama de una mariposa, podemos observar que este patrón responde a lo siguiente: 1. Se estructura a partir de nervaduras interconectadas, su orientación es radial, todas ellas forman un sistema estructural complejo a partir de un centroide con características orgánicas un su centro. 2. Su proliferación consiste en la reproducción de x numero de veces de este sistema estructural radial. 3. La unión entre estructuras, así como el mecanismo que le permite proliferar radica en las mismas nervaduras.

La abstracción formal y funcional de este patrón nos permite asentar las bases para posteriormente emularlo, a través del diseño, se crea un modulo replicable que contenga todas las características hasta este punto retomadas.

Fig.08 Análisis morfológico

Estructura Central (a)

Proliferación (a)

Proliferación del sistema a través del modulo (a)

Emular En este apartado se retoman las observaciones de la abstracción, ahora se hace un acercamiento a un primer modelo ya traducido en un objeto, de manera que se deja establecido el primer patrón para hacer las exploraciones digitales del siguiente apartado. El modelo responde a los principios de crecimiento, proliferación, unión y estructura analizada de la escama de la mariposa. El modelo ya da una visualización de las posibilidades para cumplir con los objetivos planteados, así como la problemática a resolver.

Fig.10 modelo inicial

Fig.11 proliferación, unión y estructura del modelo

PROCESOS Digital + Análogo

Exploración Digital

A partir de las herramientas digitales de modelado 3d, se configura y exploran las posibilidades del modelo inicial. El prototipo es sometido a iteraciones que permiten su mejora y evolución constante, se edita, mejora, corrige, observan proliferaciones, se analizan conexiones y configuraciones del sistema final. En el diagrama derecho podemos observar la evolución del prototipo a través de mejoras constantes para su optimización donde encontramos: 1. Modelo inicial derivado de la emulación del apartado de biomimética. Tiene un funcionamiento adecuado, pero limita su proliferación a dos ejes únicamente.

2. Una extrusión del modelo 1 permitiría mayor superficie de apoyo para lograr crecimiento en mayor numero de sentidos, sin embargo, se pierden objetivos de ligereza y permeabilidad. 3. Se elimina parte de la superficie del modelo con la intención de liberar peso. 4. Se retoma la curvatura obtenida en el punto tres, pero se reduce el espesor, este modelo permite su proliferación en todos los ejes, pero la forma de conectar necesita usar su centroide y no únicamente sus nervaduras. 5. La adición de nervaduras libera al centroide de usar conexión sin embargo requiere de 8 uniones para proliferar.

6. Se eliminan las nervaduras encontradas en sentidos opuestos, logrando eficientizar sus conexiones a 4 puntos, de la misma manera logra su proliferación en todos los sentidos.

El prototipo resultado de las iteraciones es llevado a un análisis de espesores y medidas adecuadas para su correcto funcionamiento. Se determinan los siguientes espesores y medidas:

8.5 cm

1. Profundidad con un espesor de 1.5cm, esto permite tener una superficie de apoyo mas equilibrada y robusta, al mismo tiempo que permite una apariencia esbelta y ligera sobre su cara principal.

2. Espesor total de 0.9cm sobre todas sus nervaduras, esta área a vez contiene una subdivisión en tres partes, por lo que observamos 3 elementos de 0.3cm cada uno. Su finalidad es mantener un elemento muy ligero, tanto visualmente como en su cantidad material.

3. 15cm de altura, a través de varios análisis se determino que su proporción vertical favorece la porosidad del sistema completo, así mismo una estructura mas ligera.

1.5 cm

15 cm

0.9 cm

Fig.12 Análisis de espesores y dimensiones

La manera de conectar el conjunto de piezas que conforman el sistema es creada a partir de una técnica de machimbrado que deriva de la misma configuración formal del prototipo, nace como una extensión natural del mismo modulo y se oculta al momento de conectar las piezas. La conexión para su crecimiento en Z como se muestra en la parte inferior es por medio de simple desplazamiento, todos los prototipos tienen en sus bases inferiores un pequeño hueco que corresponde a la medida de una protuberancia en la parte superior que encontramos en todas las piezas. Esto permite un crecimiento a modo de apilamiento infinito.

Fig.13 Conexión por desplazamiento para su proliferación en el eje Z

Para los laterales del prototipo se emplea la misma dinámica, estos responderán a una conexión por desplazamiento con un machimbrado, la conexión hueca que recibe a la otra y tiene un tope de contención que permite mantener las piezas en su lugar sin que se deslice por completo y pase de lado a lado. Esto lo podemos observar en el grafico inferior.

Fig.14 Conexión por desplazamiento para su proliferación en el eje X y Y

Impresión 3d Considerando que el prototipo se encuentra en una buena resolución, se imprime por medio de la tecnología 3d, esto nos permite comprobar el funcionamiento adecuado, así como observar y evaluar de forma tangible lo que vemos en una pantalla de ordenador. El proceso para la impresión conlleva una serie de análisis mediante softwares que evalúan y detectar posibles errores de impresión o fallas dentro del modelado antes de su impresión. Cuando el modelado presenta fallas dentro de su estructura o el programa reconoce algún error, se puede recurrir a softwares adicionales como Meshmixer, este programa permite ubicar las fallas y mejorarlas. Adicional a ello, cuando el modelo a imprimir contiene ángulos mayores a 45°, deberá contenerse por medio de apoyos que permitan a la impresora realizar su trabajo de manera adecuada.

Fig.15 Corrección de las fallas en modelo digital

El tiempo aproximado de impresión de este prototipo es de 7:00hrs, se imprimieron 2 piezas para comprobar sus conexiones y funcionamiento. Además de una primera impresión para detectar fallos en el modelo.

Fig.16 Primera prueba de impresión en horizontal

Fig.17 Proceso de impresión 3d

Fig.18 Impresión 3d del prototipo final

Fabricación Análoga La fabricación en serie de los módulos se realiza a partir de moldes de silicón, el modelo impreso en 3d servirá de base para crear el molde, una vez elaborado deberá verterse en su interior el material mas adecuado para la pieza. La selección del material a verter deriva de la exploración y obtención de información de diferentes materiales para la comprobación y evaluación del funcionamiento del prototipo. La exploración del presente análisis se llevo acabo con las siguientes opciones: 1. Yeso 2. Cemento gris con marmolina

3. Cemento blanco 4. Resina Flex 5. Resina Cristal 6. Resina Poliéster 7. Yeso piedra

Pasos para la fabricación de un molde de silicón: 1. Elaborar un contenedor que permita armarse y desarmarse para facilitar el desmoldado, este deberá ser de un material rígido que permita la adecuada compresión y sujeción del molde interior. 2. Armar el contenedor que fijará parte de la forma del molde, además contendrá el silicón vertido, así como los futuros vertidos de diferentes materiales, por lo cual es recomendable colocar algún elemento que refuerce su estructura.

1. desarmable

2. contención

3. Base

4. negativo

5. vertido

6. desmoldar

3. Colocar una base de plastilinas dentro del elemento de contención. 4. Se coloca el modelo 3d dentro y se llena de plastilina hasta la mitad de la pieza. Y se coloca cera liquida o cualquier desmoldante. Esto creara el lado negativo del vertido del paso 5. 5. El silicón es vertido sobre los elementos que se encuentran dentro. Las proporciones usadas para la elaboración de este molde son: diluyente al 100% y catalizador al 2%. 6. 6. una vez seco (el tiempo dependerá de la marca y proporciones usadas para su elaboración.) es retirado del contenedor.

7. La plastilina que hacia la función de negativo debe ser retirada, dejando el prototipo dentro del del silicón. 8. La nueva parte del molde es introducida y contenida nuevamente, se dejan igualmente de plastilina unos postes que servirán para poder verter posteriormente los materiales a utilizar.

Se repite el proceso de vertido, previo a esto se debe administrar sobre la pieza y molde una capa de cualquier desmoldante, esto servirá para que el silicón no se pegue

10. Se desmoldan ambas piezas, listo el proceso de vertido puede iniciarse.

7. retiro de negativo

8. Contener nuevamente

9. Verter

10. desmoldar

A continuación, podremos observar en las paginas siguientes una serie de exploraciones materiales para decidir el material mas adecuado para realizar el sistema. Esto a través de la evolución y comparación de los productos resultantes. Los materiales fueron preseleccionados y mencionados en el inicio de este apartado.

Yeso

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Proporción: 2 de yeso

1 de cemento blanco 2 de agua

Tiempo de espera: 8hrs

Observaciones:

El resultado es una pieza muy frágil, no seco , se fractura al desmoldarlo. Esta muestra sirvió para detectar problemas en el molde y vertido. El tiempo de fraguado es muy largo.

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Cemento gris con marmolina

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Proporción: 2 de cemento

1.5 de marmolina fina 2.5 de agua

Tiempo de espera: 6hrs

Observaciones:

El modulo continua con altos niveles de humedad, su fraguado y optimo endurecimiento no fue alcanzado durante el lapso de tiempo que se dejo dentro del molde, esto mismo ocasiona fracturas al momento de desmoldado. Las piezas sueltas una vez que han secado completamente adquieren una dureza y resistencia muy buena, sin embargo, el tiempo de espera para obtener una pieza adecuada es demasiado. De igual forma Se detectan ubicaciones en la pieza donde la mezcla no cubrió en su totalidad. 51

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Cemento blanco

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Proporción: 2 de cemento blanco

1 de yeso 2 de agua

Tiempo de espera: 6hrs

Observaciones:

El modulo continua con altos niveles de humedad, se fractura al desmoldarlo. El tiempo de espera no es optimo para fabricación de grandes cantidades de prototipos. Las nuevas salidas aire ubicadas al centro del modelo permiten la elaboración de una pieza casi completa.

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Resina Flex

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Proporción por cada 100ml de resina: 5 gotas de acelerante

5 gr de colorante 25 gotas de catalizador

Tiempo de espera: 8hrs

Observaciones:

Se siguieron las indicaciones del proveedor de resina para la fabricación y posterior vertido sobre el molde, después de un lapso de tiempo, al observar que no secaba se tomó la decisión de desmoldar sin esperar su fraguado, debido a que no contaba con los tiempos requeridos para la fabricación de un sistema completo.

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Resina Cristal

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Proporción por cada 100ml de resina: 5 gotas de acelerante

30 gotas de catalizador

Tiempo de espera: 8 hrs

Observaciones: Al momento de desmoldar la pieza aun no seca en su totalidad, presenta una textura pegajosa difícil de trabajar. Esta resina es muy liquida, por lo que el hubo filtraciones en el molde, dejando una pieza incompleta con un tiempo de secado muy prolongado. Se usaron las proporciones indicadas por el proveedor.

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Resina Poliéster

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Proporción por cada 60ml de resina: 19 gotas de dimetil anilina

45 gotas de catalizador

Tiempo de espera: 15 minutos

Observaciones: El dimetil es un producto altamente contaminante y flamable que sirve para acelerar el proceso de catalizacion, debe ser utilizado con mucha precaución pues, los gases que desprende y la reacción química al contacto con los demás ingredientes puede poner en riesgo la salud. Este modelo presenta una pequeña disminución de su tamaño, presenta una cantidad considerable de rebabas en las conexiones derivado de la mala impresión del molde. Su dureza y nivel de registro es buena, sin embargo, no permite o es muy complejo detallar los problemas que aparecen en ella.

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Fig.00 pruebas con resina poliéster

Yeso Piedra tipo 3 de alta resistencia

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Proporción: 60 gr. de yeso

40 ml de agua

Tiempo de espera: 15 minutos

Observaciones: Este material es muy versátil, una vez desmoldado, por medio de una pequeña lima de metal, se detallan de manera muy fácil todas aquellas rebabas y problemas provenientes desde el molde, las piezas aun están cargadas de mucha humedad al momento de desmoldar, su secado completo puede durar mas de 12 horas mas. La mezcla ideal para el vertido en molde, específicamente para este prototipo y después de varias pruebas se determino en proporción 3:2. Su nivel de registro es muy bueno, el inconveniente es la fragilidad en piezas delgada. Sin embargo, este material es ideal para comprobar la eficiencia del molde, así como de la configuración del sistema. 63

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Fig.00 Primeras exploraciones de conexión

SISTEMA

Especulación

COCLUCIONES

El sistema realizado cumple bien con los objetivos planteados en la presente investigación, sin embargo, durante el proceso de armado de un sistema completo que contiene una mayor cantidad de elementos conectados entre si, se observan fallas que pueden ser arregladas en una nueva iteración desde el modelado 3d, seguido por la elaboración de un molde mejorado para la optimización y mejor resultado del sistema aquí planteado. Durante el proceso de fabricación, el molde de silicón sufrió en repetidas ocasiones desperfectos, mismos que fueron resanados, corrección mas corrección fue derivando en una modificación en los prototipos finales y esto ocasiono una menos eficiencia en el sistema final. Esto demuestra que los procesos de diseño no son lineales, pues existe un ir y venir entre todos los apartados del proceso, existe una alimentación de información entre ellos que derivara en correcciones y mejoras sin distinción de jerarquías. Este tipo de investigaciones esta pensadas para poder comprender justamente eso, que la innovación y el diseño provienen de un entendimiento de los procesos creativos. hoy en día grandes figuras exploran la transdisciplinariedad como medio de innovación, vinculan muy de cerca al diseño con la biología, la computación e ingeniería de materiales, esto con un presupuesto y tecnología sin limitación. La realidad de nuestro contexto es muy diferente, es por ello que los planteamientos explorados en este documento obedecen a potencializar la creación a través de los recursos que se cuentan sin que ello represente una limitante, sino una oportunidad de hacer diferente, ver las oportunidades que esto representa y como usarlas y explotarlas como diseñadores.

Bibliografía Rocha, E. (2010, abril-junio). Biomimética de la naturaleza a la creación humana. Ciencias, 98, pp.4-8. Rodríguez, D. (2018). Método experimental: características, etapas, ejemplo. Mayo 27, 2020, de lifeder.com Sitio web: https://www.lifeder.com/metodo-cientificoexperimental/#Definir_un_diseno_experimental Sampieri, R. Collado, L. Lucio, P. Cátedra “Metodología para la investigación en Ciencia Política. Unidad IV Metodología de la investigación, pp.3-35. Moral, E. (2020). Nanoestructuras en las alas que evitan el sobrecalentamiento de las mariposas. mayo 27, 2020, de principia Sitio web: https://principia.io/2020/03/21/nanoestructuras-en-las-alas-queevitan-el-sobrecalentamiento-de-las-mariposas.IjExNTIi/ Huerta, L. (2017). Técnicas biomiméticas aplicadas a la arquitectura. ETSAM. Jiménez, C. (2018). Diseño biomimético. ETSAM