THERMOCHROMIC BIOMIMICRY IN ARCHITECTURE - BIOINSPIRED STRATEGIES FOR ADAPTIVE AND ENERGY-EFFICIENT BUILDINGS

BIOMIMÉTICA TERMOCRÔMICA NA ARQUITETURA: ESTRATÉGIAS BIOINSPIRADAS PARA EDIFÍCIOS ADAPTATIVOS E ENERGETICAMENTE EFICIENTES

Authors

  • Hilma de Oliveira Santos Ferreira UFPE - UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
  • Elton Cristovão da Silva Lima UNIVERSIDADE DE LISBOA
  • Amilton José Vieira de Arruda UFPE - UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

DOI:

https://doi.org/10.29183/2447-3073.MIX2025.v11.n3.201-221

Keywords:

Biomimetics, Thermochromism, Sustainable Architecture, Thermal Regulation, Material Science

Abstract

This paper investigates bio-inspired thermochromic properties with potential applications in sustainable construction, drawing on the biological systems of plant leaves and flowers. It explores concepts related to natural thermochromic responses and biological modulation processes based on chromatophores, structures, and pigmentation that influence the absorption of light and heat. The analysis integrates principles of biomimetics, architecture, and materials science, assessing the potential of bio-inspired strategies for optimising energy efficiency in buildings. By examining the natural thermal regulation mechanisms found in plants, the study identifies possibilities for adapting these systems to the built environment. The research highlights how biological principles can underpin sustainable architectural solutions, contributing to reduced energy consumption and environmental impact. This work underscores the importance of biomimetics as an innovative tool to integrate functionality, aesthetics, and sustainability, driving advancements in the construction sector and forging connections between intelligent design and natural processes.

Author Biographies

  • Hilma de Oliveira Santos Ferreira, UFPE - UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

    Natural do Recife-PE, é Graduada em Arquitetura e Urbanismo pela Faculdade de Ciências Humanas/ESUDA em 2005-2010, Pós-graduada em Gestão de Projetos e Obras com ênfase em laudo e perícia técnica (ESUDA - Faculdade de Ciências Humanas/2013-2015) e Docência no Ensino Superior (Centro Universitário SENAC-SP 2022-2023), Mestre em Engenharia Civil (UNICAP-Universidade Católica de Federal de Pernambuco, 2015/2017), Doutorado em andamento no curso de Design pela Universidade Federal de Pernambuco (UFPE - 2021 a 2025)) com estágio no Centro de Investigação em Arquitetura, Urbanismo e Design (CIAUD) pela Faculdade de Arquitetura da Universidade de Lisboa-FAULisboa (2024/2025) com integração no Programa de Doutorado Sanduíche no Exterior (PDSE) da Universidade Federal de Pernambuco e com participação do grupo de pesquisa do Biodesign pela UFPE.Professora de ensino superior pelo Centro Universitário Unibra Recife, Centro Universitário UNIFAVIP e Estácio Recife. Coordenadora e Especialista em projetos de fachadas em alumínio e vidro. Arquiteta em obras residenciais e reformas. Colaboradora em escritórios de arquitetura de interiores comercias e residenciais. Premiações em segundo lugar nos anos de 2022 e 2023 do ADEPE-Agência de Desenvolvimento Econômico de Pernambuco no Concurso das Praças de Descanso da 22 e 23 Feira Nacional de Negócios do Artesanato-FENEARTE, como orientadora de equipes de estudantes de arquitetura e urbanismo

    LATTES:  http://lattes.cnpq.br/0959988529399522

    ORCID: https://orcid.org/0009-0007-8495-2090 

  • Elton Cristovão da Silva Lima, UNIVERSIDADE DE LISBOA

    Architect and Urban Designer from the Federal University of Pernambuco (UFPE) ? Brazil, and MSc. in Architecture by the University of Lisbon - Portugal. Attended Masters Degree in Urbanism (Specialty in Digital Graphics) at the Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ) - Brazil. Currently he is a PhD candidate in Architecture at the University of Lisbon (Specialty in Design and Computing). Attended the Laboratoire Théorie des Systèmes en Architecture at the Université Catholique de Louvain in Belgium during an academic mobility through Erasmus Program. He currently works as Architect Designer at the studio Árter Architects in Brussels. He was an intern at BR Petrobras Distribuidora SA in the Architecture sector, a teaching assistant at the Department of Graphic Expression at UFPE in Graphic Geometry and Architectural Design courses, and Scientific Initiation Researcher. Developed research in the field of Biomimicry, Parametric Design, Shape Grammar, Space Syntax, Digital Fabrication, Graphic Expression, Social Housing, Ephemeral Architecture, and Sounds.

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/8492389891991578

    ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8076-7150

  • Amilton José Vieira de Arruda, UFPE - UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

    Graduação em Desenho Industrial - Projeto do Produto pela UFPE (1982), Mestrado em Design e Biônica pelo IED de Milão (1992), Doutorado em Ricerca in Disegno Industriale - Ph.D pela Universidade Politecnico de Milão POLIMI (2002), pós-doutorado em Design e Biônica no IADE Universidade Europeia UNIDCOM Lisboa (2018/2019), pós-doutorado em Design e Bionica na Università degli Studi della Campana ?Luigi Vanvitelli?, Nápoles -IT (2021/2022). Foi consultor internacional do Isঞtuto Europeo de Design de Milão, na implantação de cursos de Pós-Graduação Lato Sensu Especialização em Fashion Design, Design de Interiores e Produto, Design Gráfico e Editorial, nas Faculdades Avila (Goiânia), Faculdade Boa Viagem (Recife), Instituto de Educação Superior de Brasília (DF). Desde 1985 professor do Curso de Design da UFPE. Atualmente é professor associado IV, docente do Programa de Pós - Graduação em Design PPGD da UFPE. Coordena o Grupo de Pesquisa em Biodesign e Artefatos Industriais da UFPE. Experiência na área de Desenho Industrial, com ênfase em Design e Biônica, atuando principalmente nos seguintes temas: Desenvolvimento de Produtos e Design Estratégico Bionspirado. Organizador junto com Editora Edgard Blucher da série [DesignCONTEXTO] ensaios de design, cultura e tecnologia dos seguintes livros: (2017) 1. Design e Complexidade; (2017) 2. Design e Inovação Social; (2018) 3. Design, Artefatos e Sistemas Sustentáveis; (2022) 4. Narrativas e Linguagens no processo criativo na Modelagem e Prototipagem. Sempre com Edgar Blucher organiza a serie [designNATUREZA] ensaios sobre design, biônica e biomimética com o seguinte livro: (2018) Métodos e Processos em Biônica e Biomimética: a revolução tecnológica pela natureza. Com a editora Insigh em (2019) lançamos o seguinte titulo: Tópicos em Design: Biomimética, Sustentabilidade e Novos Materiais; e recentemente com a Blucher (2020) o Livro: Design e Biônica. Carmelo Di Bartolo e Centro Ricerche IED: esperienze memorabili da 30 protagonisti. (2022) BIONIC RESEARCH MAP Transdiciplinary Ecosystems in Bionics, Biodesign and Biomimimetics: scientific and tecnological aspects for a design culture (resultado do pos-doc 2022 - no prelo)

    LATTES: http://lattes.cnpq.br/9138096051015150

    ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4551-4497

References

EFERENCES

ANDRADE, T., NUNO BEIRÃO, J., VIEIRA DE ARRUDA, A. J., SANTOS, H., & COSTA, J. Adaptive façades bioinspired by the nastic movements of plants. Cuadernos Del Centro De Estudios De Diseño Y Comunicación, n. 239. July 2024.

ARORA, E.K., SHARMA, V., SETHI, G. Bioinspired designer surface nanostructures for structural color. Nanotechnology Environmental Engineering, v. 9, p. 461–472. 18 june 2024.

ASHRAE. Handbook of Fundamentals. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2019. ASHRAE Handbook 2019 HVAC Applications IP. Available at: <https://archive.org/details/ashraehandbook2019hvacapplicationsip_202002/page/n21/mode/2up>. Accessed in: 30 jan. 2025.

ÅSTRÖM, H., METSOVUORI, E., SAARINEN, T., LUNDELL, R., HÄNNINEN, H., Morphological characteristics and photosynthetic capacity of Fragaria vesca L. winter and summer leaves, Flora - Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants, v. 215, p. 33-39. 8 july 2015.

BENYUS, J. M. Biomimicry: Innovation inspired by nature. Morrow: New York, United States of America, 2011; 308p.

BENYUS, J. M. Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. New York: Harper Perennial, 1997.

BHUSHAN, B. Structural Coloration. In: Biomimetics. Springer Series in Materials Science, v. 279. Springer, Cham, pp. 879–910. 04 november 2018.

CASTRO, C. E. F., GONÇALVES, C., MOREIRA, C., MOREIRA, S.R., FARIA, O. Helicônias brasileiras: características, ocorrência e usos. Revista Brasileira de Horticultura Ornamental, v. 17. 03 may 2011.

COLLETTE, V., JAMESON, P.E., SCHWINN, K.E., UMAHARAN, P., & DAVIES, K.M. Temporal and spatial expression of flavonoid biosynthetic genes in flowers of Anthurium andraeanum. Physiologia Plantarum, v. 122, n. 3, p. 297-304. 29 september 2004.

DAVIES, K. M., ALBERT, N. W., & SCHWINN, K. E. From landing lights to mimicry: the molecular regulation of flower colouration and mechanisms for pigmentation patterning. Plant Science, v. 184, p. 36-48. 01 august 2012.

DICKS, H. Biomimetic Epistemology. Philosophy of Science, v. 91, n. 4, p. 1009-1029, 2024.

FERREIRA, H.; COSTA, J.; ANDRADE. T.; ARRUDA. A. Análise empírica nas fachadas envidraçadas: aplicação do filme de polímeros termocrômicos integrado no vidro para conforto térmico e lumínico. Boletim do Observatório Ambiental Alberto Ribeiro Lamego, [S. l.], v. 18, n. 1, p. 89–109. 30 november 2024.

GONG, Y.; WANG, H.; LUO, J.; CHEN, J.; QU, Z. Research Progress of Bioinspired Structural Color in Camouflage. Materials, v. 17, n. 11, p. 2564. 27 may 2024.

HARRAP, M.J.M, DE VERE N., HEMPEL DE I. N., WHITNEY, H.M., RANDS S. A. Variations of floral temperature in changing weather conditions. Ecology and Evolution, v. 14, n. 7, p. e11651. 14 june 2024.

KISEKKA, R., AGABA, H. K., PETER I., KIYINGI. Report commercial plantation forestry research in uganda Prepared by National Forestry Resources Research Institute (NaFORRI) with support from the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) under Sawlog Production Grant Scheme (SPGS) Phase III, 2020.

KOSKI, M. H.; MACQUEEN, D.; ASHMAN, T. Floral Pigmentation Has Responded Rapidly to Global Change in Ozone and Temperature, Current Biology, v. 30, n. 22, p. 4425-4431. 16 november 2020.

LIMA, E.; FERREIRA, H.; MATEUS, L.; ARRUDA, A. Integration of Thermo-Responsive Materials Applied to Bio-Inspired Structures. Biomimetics, 2025, v. 10, n. 2, p. 68. 22 january 2025.

LÓPEZ, M., RUBIO, R., MARTÍN, S., CROXFORD, B. How plants inspire façades. From plants to architecture: Biomimetic principles for the development of adaptive architectural envelopes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 67, p. 692–703. January 2017.

MASTERS, N. J., LOPEZ, G. M., OULTON, R., WHITNEY, H. M. Characterization of chloroplast iridescence in Selaginella erythropus. J. R. Soc. Interface 15, 20180559, 2018.

NOVIKOVA, A., KATIYI, A., KARABCHEVSKY, A., Nature-Inspired Anti-Reflective Texturization for Solar Energy Applications. Advanced Materials Technologies, v. 9, n. 2, p. 2301128. 22 january 2024.

ÖZTÜRK, B.; MUTLU, A., G.; ARSLAN, S., S. Enhancing energy efficiency in glass facades through biomimetic design strategies. Hábitat Sustentable, 14. p. 34-43. 20 june 2024.

SCHMAGER, R., FRITZ, B., HÜNIG, R., DING, K., LEMMER, U., RICHARDS, BS., GOMARD, G., PAETZOLD, UW. Viola flower texture for light collection in photovoltaic energy. ACS Photonics. ACS Photonics 4, 2687–2692, 2017.

SOARES, T.; ARRUDA, A. Ecomateriais biomiméticos, um caminho eficiente para a sustentabilidade. Mix Sustentável. v3. n4. p. 29-45, 2017.

SWELLAM, W., SHARSHIR, A. J., MARWAN, E., MOHAMED A. H., A.W. KANDEAL, MOHAMED, R. E. Thermal energy storage using phase change materials in building applications: A review of the recent development. Energy and Buildings, v. 285, p. 112908, 2023.

VINTHER, J. A guide to the field of palaeo colour: Melanin and other pigments can fossilise: Reconstructing colour patterns from ancient organisms can give new insights to ecology and behaviour. BioEssays, 2015, v. 37, n. 6, p. 643-656.

WANG, N. Z., CHAO B. S., CHANG, P., XUAN, L., FAN, L., YU, QIN, LIU, Z., GU, C. ZHANG, S., WANG. Y., SHEN, Y. Flavonoid Components of Different Color Magnolia Flowers and Their Relationship to Cultivar Selections. HortScience. 54. p. 404-408. 25 november 2018.

YOSHIDA, K., MIKI, N., MOMONOI, K., KAWACHI, M., KATOU, K., OKAZAKI, Y. Synchrony between flower opening and petal-color change from red to blue in morning glory, Ipomoea tricolor cv. Heavenly BlueProc. Proceedings of the Japan Academy, Series B, v. 85, n. 6, p. 187–197. 12 june 2009.

Downloads

Published

2026-02-18

Issue

Vol. 11 No. 3 (2025): v. 11 n. 3 (2025): Edição especial ENSUS 2025

Section

Científica

License

Copyright (c) 2025 HILMA FERREIRA

Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Creative Commons Copyright Notice

Attribution 4.0 International

How to Cite

THERMOCHROMIC BIOMIMICRY IN ARCHITECTURE - BIOINSPIRED STRATEGIES FOR ADAPTIVE AND ENERGY-EFFICIENT BUILDINGS: BIOMIMÉTICA TERMOCRÔMICA NA ARQUITETURA: ESTRATÉGIAS BIOINSPIRADAS PARA EDIFÍCIOS ADAPTATIVOS E ENERGETICAMENTE EFICIENTES. (2026). Mix Sustentável, 11(3), 201-221. https://doi.org/10.29183/2447-3073.MIX2025.v11.n3.201-221

Most read articles by the same author(s)

1 2 > >>