Trem-bala e o martim-pescador; o pinguim e a coruja

Desde sempre, o ser humano procura na natureza inspiração para projectar as suas invenções. As asas das aves inspiraram os aviões, a pele dos peixes inspirou os cascos dos navios, as barbatanas dos tubarões inspiraram turbinas, e as patas de certos insectos inspiraram pinças robóticas. Em nenhum domínio esta lógica aparece com tanta clareza como no Shinkansen, o comboio de alta velocidade japonês, e na disciplina que traduz essa leitura em engenharia: a biomimética, ou seja, a prática de transformar soluções biológicas em tecnologia. Três animais moldaram, em silêncio, o design do comboio ao longo de décadas: o martim-pescador, o pinguim e a coruja. Quem hoje viaja num Shinkansen no Japão está, literalmente, sentado dentro de um pedaço de natureza redesenhada.

Este artigo percorre como o gesto simples de observar uma pequena ave azul e laranja à beira de um lago acabou por dar ao comboio o seu nariz icónico em forma de bico, qual foi o papel de Eiji Nakatsu — um engenheiro e observador de aves amador — e por que o pinguim e a coruja-comum inspiraram mais tarde o pantógrafo, o braço no tejadilho que capta a corrente da catenária. Analisa também os resultados mensuráveis da série 500, a época em que circulou, e o que a biomimética ainda pode ensinar aos engenheiros muito para além da ferrovia. Compreender a forma de um bico, de uma pena ou de uma barbatana é, ao mesmo tempo, perceber como é que a engenharia japonesa aprendeu a olhar para fora do laboratório.

Sumário 9

O problema dos primeiros Shinkansen

Os primeiros comboios de alta velocidade japoneses entraram em serviço em 1964, na linha Tōkaidō, entre Tóquio e Osaka. Nessa altura, atingiam velocidades médias de cerca de 200 km/h, um número notável para a época — a série 0 do Shinkansen, baptizada de Hikari (光), reduziu a viagem Tóquio-Osaka de cerca de quatro horas para pouco mais de três horas e dez minutos. Os engenheiros japoneses, porém, já tinham metas mais ambiciosas: na década de 1990, projectaram subir a velocidade média de exploração para cerca de 350 km/h, encurtando a viagem Osaka-Hakata para cerca de duas horas e meia. Esse objectivo, no entanto, esbarrou num problema físico inesperado.

Quando um comboio de alta velocidade entra rapidamente num túnel, o ar à frente do nariz não tem tempo de se desviar para os lados. A massa de ar comprime-se dentro do túnel, criando uma onda de pressão que se liberta com estrondo quando a frente do comboio sai pelo outro lado. O princípio é o mesmo de uma explosão sónica, embora a uma escala bem menor. Este ruído acordava os moradores das aldeias vizinhas, perturbava a fauna em redor e obrigava a empresa ferroviária a impor limites de velocidade justamente nos troços onde o Shinkansen devia ser mais rápido. Como a malha ferroviária japonesa atravessa regiões montanhosas com muitos túneis — em particular nos troços das linhas Tōkaidō e San'yō —, a queixa tornou-se recorrente.

Na série 0, o problema era conhecido, mas foi aceite como o preço a pagar pela velocidade. Com a chegada de composições mais compridas e mais pesadas, e de linhas onde os túneis se tornavam mais frequentes, esse preço deixou de ser aceitável. O estrondo na saída do túnel deixava de ser apenas incómodo sonoro: acelerava o desgaste mecânico das carruagens e da própria via, e propagava vibrações perceptíveis a janelas e paredes das habitações próximas. Os engenheiros da Japan Railways concluíram que, para resolver o problema de forma duradoura, era preciso redesenhar a própria forma do nariz do comboio.

Eiji Nakatsu, o engenheiro que observava aves

A solução apareceu onde poucos engenheiros teriam pensado em procurar: num passatempo. Eiji Nakatsu, engenheiro de estruturas afecto à Japan Railways, era também um observador de aves amador. Numa das suas saídas de campo, reparou que o martim-pescador, ao mergulhar em alta velocidade para apanhar um peixe, raramente produzia um grande chapinhar. A ave deslizava do ar para a água quase sem splash, com uma elegância funcional que contrastava com a violência do impacto que qualquer projéctil cónico ou esférico produziria à mesma velocidade.

Nakatsu percebeu que o que ele estava a ver não era apenas um espectáculo natural: era exactamente o problema inverso ao do Shinkansen a entrar num túnel. No caso da ave, o ar (meio de baixa resistência) e a água (meio de alta resistência) eram trocados em milésimas de segundo, sem onda de choque nem turbulência excessiva. No caso do comboio, a entrada no túnel criava uma onda de pressão precisamente porque a transição ar-ar dentro de um espaço confinado era abrupta. A questão que o engenheiro colocou a si próprio foi directa: como é que o bico do martim-pescador consegue gerir com tanta rapidez a transição da baixa resistência do ar para a alta resistência da água?

Do ponto de vista estritamente linguístico, o nome inglês kingfisher pode ser traduzido de forma literal como «pescador-rei». Mas, mais do que a etimologia, interessava a Nakatsu a solução evolutiva que a ave tinha encontrado ao longo de milhões de anos de selecção natural. Era essa solução, e não o nome, que poderia ser transferida para a engenharia ferroviária. A resposta estava na forma do bico: comprido, afilado, com um perfil que afunila de forma contínua em vez de terminar numa superfície abrupta. Era essa a forma que faltava ao nariz do Shinkansen.

O bico do martim-pescador como modelo

O nariz convencional dos comboios de alta velocidade dos anos 1980 era aproximadamente cilíndrico, quase em forma de bala de canhão. Em túnel, esse perfil funcionava como um êmbolo: comprimia o ar à frente e só o libertava de forma violenta na saída. O bico do martim-pescador, pelo contrário, apresenta uma curva suave, quase aerodinâmica, que vai afilando até uma ponta estreita. É esta a geometria que a evolução seleccionou para mergulhar sem splash.

Quando Nakatsu e a sua equipa analisaram a secção transversal do bico, encontraram uma forma que os engenheiros de caminhos-de-ferro descrevem como uma transição contínua entre dois diâmetros: passa gradualmente da secção maior do corpo da ave para a ponta fina do bico, sem qualquer descontinuidade abrupta. Em termos físicos, esse perfil minimiza a onda de choque quando o objecto entra num meio mais denso — no caso, a água. E, no caso do comboio, o mesmo princípio aplica-se à entrada do ar dentro do túnel: se a frente do comboio terminar numa forma longa e afilada, o ar é empurrado para os lados de modo progressivo, e a compressão quase desaparece.

A escolha não foi apenas estética. Estudos em túnel de vento e simulações em computador mostraram que a forma inspirada no bico permitia reduzir a onda de pressão em cerca de 30%, baixar o ruído audível no exterior em alguns decibeis e, ao mesmo tempo, diminuir a resistência aerodinâmica. Com menos resistência, o comboio gastava menos energia à mesma velocidade — ou, o que é equivalente, podia circular mais depressa consumindo a mesma energia. A natureza tinha passado milhões de anos a optimizar aquela forma; coube à engenharia japonesa perceber que bastava copiá-la.

Os resultados mensuráveis da série 500

Estes conceitos foram aplicados de forma mais visível na série 500 do Shinkansen, concebida no início da década de 1990 e estreada em 1997. O objectivo declarado era o mesmo que tinha sido colocado em 1989: ligar Osaka a Hakata em cerca de duas horas e meia, o que exigia uma velocidade média de exploração na casa dos 270 a 300 km/h. Com o nariz redesenhado, a série 500 conseguiu entrar em serviço comercial como um dos comboios mais rápidos do mundo na sua época.

Os números mais citados para a série 500 são, justamente, a redução da onda de pressão em túnel na ordem dos 30%, o aumento de velocidade na ordem dos 10% face à geração anterior e a poupança de energia na ordem dos 15%. Convém sublinhar que estes são os valores mais comummente referidos em divulgação científica e jornalística sobre a série 500; não correspondem, necessariamente, a um conjunto único de dados oficiais publicados pela JR Central, mas descrevem bem a magnitude dos ganhos obtidos com a aplicação da biomimética. São, ainda assim, números que impressionam: traduzem-se em comboios mais rápidos, mais silenciosos e mais económicos ao mesmo tempo.

Importa, também, perceber o que estes números não dizem. A série 500 não existiu isolada: fazia parte de uma geração de Shinkansen em que se combinaram várias inovações, da suspensão ao sistema de tracção, da insonorização do interior à gestão eléctrica dos motores. O nariz inspirado no martim-pescador é uma das várias peças desse quebra-cabeças — uma peça particularmente visível, porque transformou a silhueta do comboio. Mas o resultado final é o somatório de pequenas optimizações, cada uma com a sua história.

O pinguim e a coruja, o pantógrafo redesenhado

O segundo momento da biomimética no Shinkansen surgiu com um problema diferente e com outros dois animais. O pantógrafo é o braço articulado instalado no tejadilho do comboio que faz contacto eléctrico com a catenária, a linha de cabo suspensa acima da via. Quando o comboio circula em túnel, este braço fino e comprido vibra e produz um ruído agudo e contínuo, quase um assobio, que se sobrepõe ao ruído aerodinâmico e que se ouve nitidamente do exterior. Para os engenheiros, tratava-se de mais uma fonte de poluição sonora a eliminar.

Foi aqui que entrou o contributo da coruja. A plumagem da coruja-comum, em particular a das asas, tem uma estrutura serrilhada especial: as barbas das penas não são lisas, mas dispostas de forma a quebrar o fluxo de ar de modo progressivo, eliminando o ruído turbulento que as asas lisas de outras aves produzem em voo. O princípio é o mesmo de certas pás de turbina eólica ou de hélices silenciosas: suavizar a interface entre o objecto e o ar reduz o ruído. Ao aplicar um perfil serrilhado semelhante nas arestas do pantógrafo, os engenheiros conseguiram abafar o ruído aerodinâmico que este gerava a alta velocidade.

Do pinguim veio uma inspiração diferente: não para o som, mas para a forma. A forma do corpo do pinguim é hidrodinâmica, compacta e suave, perfeitamente adaptada para deslizar na água com o mínimo de arrasto. A transição entre a «entrada» e a «saída» do pinguim-imperador quando mergulha é contínua, sem cantos vivos. Esta forma, transferida para a cabeça de contacto do pantógrafo — a peça que efectivamente toca no fio da catenária —, permitiu reduzir a turbulência e melhorar a estabilidade do contacto eléctrico. Em termos práticos, o pantógrafo passou a comportar-se melhor a alta velocidade, com menos perda de corrente e menos arco eléctrico visível nas noites escuras.

O resultado conjunto destas duas mudanças foi um pantógrafo mais silencioso, mais estável e mais eficiente. Não é uma coincidência que, no Shinkansen, a mesma lógica de aprender com a natureza tenha sido aplicada a dois componentes muito distintos — o nariz e o pantógrafo — por equipas diferentes, em momentos diferentes. É, isso sim, um sinal de que a biomimética, no Japão, deixou de ser uma curiosidade de laboratório para se tornar uma ferramenta de projecto.

Por que é que a biologia funciona em engenharia

A biomimética parte de uma constatação simples: a evolução biológica é, também ela, um processo de optimização. Ao longo de milhões de anos, em cada espécie, as soluções que não funcionavam foram sendo eliminadas, e as que sobreviviam foram sendo afinadas até atingirem uma eficiência notável. Um bico de martim-pescador, uma pena de coruja ou uma barbatana de tubarão não são apenas bonitos: são resultado de um número incalculável de tentativas e erros. Quando um engenheiro copia uma destas formas, está a herdar essa optimização, em vez de a descobrir sozinho em poucas décadas de tentativas em túnel de vento.

Mas a biomimética não se resume a copiar formas. Em cada caso, é preciso perceber o princípio por trás da forma: por que motivo o bico mergulha sem splash? Por que motivo a pena da coruja é silenciosa? Por que motivo a pele do tubarão reduz o arrasto? Só depois de identificar o princípio físico é que se pode transferi-lo para um contexto completamente diferente, como um comboio, uma turbina ou um revestimento de navio. E, quando essa transferência é bem feita, o resultado costuma ser melhor do que as soluções de partida inteiramente concebidas em secretária.

Há também um lado quase filosófico que vale a pena notar. Durante décadas, a engenharia ocidental — e boa parte da engenharia japonesa dos anos 1950 e 1960 — tratou a tecnologia como algo a construir de raiz, à margem da natureza. A biomimética inverte este pressuposto: parte do princípio de que a natureza é uma fonte legítima de soluções e que observá-la com curiosidade faz parte do trabalho do engenheiro. Não é uma forma de romantismo; é uma forma de pragmatismo iluminado pela escala de tempo da evolução.

A biomimética muito para lá do Shinkansen

O caso do Shinkansen é, talvez, o mais conhecido, mas está longe de ser o único exemplo de biomimética em engenharia. O efeito de lotus, que inspirou superfícies autolimpantes, vem das folhas da planta de lotus, cujas micro-estruturas fazem com que a água escorra levando consigo a sujidade. A adesão das patas da osga-gecko inspirou adesivos reutilizáveis que funcionam em superfícies lisas sem deixar resíduos. A pele do tubarão, com os seus dentículos dérmicos, inspirou revestimentos de avião e fatos de banho de competição.

Na própria ferrovia, há outros exemplos para além do nariz e do pantógrafo do Shinkansen. A aerodinâmica dos comboios modernos — mesmo fora do Japão — é hoje afinada com recurso a modelos computacionais que partem, em parte, de princípios desenvolvidos ao observar aves e peixes. A insonorização de interiores, o design das janelas, a ventilação e até o conforto dos bancos beneficiam, em muitos casos, de observações feitas primeiro na biologia. Esta transversalidade é uma das marcas da biomimética bem-sucedida: a mesma ideia pode aparecer numa turbina, num tejadilho ou num bico de comboio.

Para o engenheiro de formação biomédica, de materiais ou de estruturas, isto abre um campo enorme. Para o curioso, abre um prisma novo para olhar a tecnologia: cada vez que vê um comboio, um avião ou um edifício, vale a pena perguntar de onde veio a forma. Muitas vezes, a resposta começa num animal, numa planta ou num micro-organismo que ninguém suspeitaria de estar envolvido.

Confiança, segurança e futuro do Shinkansen

Não se fala de biomimética no Shinkansen sem falar também de segurança e confiança. Desde o início da operação, em 1964, o Shinkansen é, por passeguiros transportados e por quilómetros percorridos, uma das redes ferroviárias de alta velocidade mais seguras do mundo — apesar de o tráfego intenso, dos sismos frequentes e da elevada velocidade comercial. Não houve, até hoje, qualquer acidente ferroviário com vítimas mortais em consequência directa de uma colisão ou descarrilamento em mais de seis décadas de operação contínua.

Esta segurança não se deve a um único factor, mas a um sistema: o controlo automático de comboios, a ausência de passagens de nível, a manutenção preventiva da via, a formação contínua do pessoal e, sim, também a pequenas optimizações de design como o nariz aerodinâmico. Cada melhoria individual contribuiu para o todo. O nariz inspirado no martim-pescador não torna o Shinkansen seguro por si só; torna-o menos ruidoso e mais eficiente, e, ao mesmo tempo, parte de uma cultura de engenharia que valoriza o detalhe e a observação.

Olhando para o futuro, a biomimética tem ainda muito para dar. Novos compostos inspirados em conchas, estruturas inspiradas em teias de aranha, materiais que mudam de rigidez inspirados em ouriços-do-mar e revestimentos auto-regenerativos inspirados em plantas são algumas das linhas de investigação activas. A próxima geração de Shinkansen — ou, em outros países, a próxima geração de comboios de alta velocidade — vai, quase de certeza, continuar a olhar para a natureza como uma espécie de consultora silenciosa, que há milhões de anos vem resolvendo problemas que a humanidade ainda nem sequer pensou em colocar.

Conclusão: o que um martim-pescador nos ensina

Um martim-pescador, um pinguim e uma coruja raramente aparecem juntos num mesmo texto de engenharia. E, no entanto, foram estes três animais, em conjunto, que ajudaram a redesenhar uma das máquinas mais emblemáticas do Japão. O bico que mergulha sem splash, a pena que corta o ar em silêncio, a barbatana que desliza com o mínimo de arrasto — todos eles oferecem, a quem os observa com atenção, princípios que podem ser transferidos para problemas concretos de design, de energia e de poluição sonora.

Mais do que uma curiosidade técnica, a história do Shinkansen ilustra um método. A engenharia biomimética começa por observar — a olho nu, com binóculos, em túnel de vento, em simulação numérica. Passa, em seguida, por abstrair o princípio físico que faz a forma funcionar. E acaba por aplicar esse princípio, com as adaptações necessárias, a um objecto industrial concreto. Não há qualquer garantia de que copiar a natureza produza sempre a melhor solução, mas há décadas de resultados que mostram que, com frequência, produz uma solução melhor do que aquela que se obteria sem essa referência.

Da próxima vez que estiver num Shinkansen, mesmo sem prestar muita atenção, vale a pena olhar, ao entrar e ao sair de um túnel, para o nariz comprido do comboio. E, se por acaso avistar um martim-pescador nas margens de um rio ou de um lago — no Japão, na Europa, em quase qualquer continente —, repare no bico, na entrada em voo rasante, no mergulho. É provável que reconheça ali a forma de um pequeno mistério de engenharia que, sem saber, já atravessou o mundo.