Arquitectura Bioinspirada: Nueva Generación De Rascacielos Y Puentes Inspirados En Esponjas Marinas

Esqueleto de esponja de mar

El esqueleto de Euplectella aspergillum, una esponja marina de aguas profundas. Crédito: Imagen cortesía de Matheus Fernandes / Harvard SEAS

La arquitectura bioinspirada podría allanar el camino para estructuras más fuertes y ligeras.

Cuando pensamos en esponjas, tendemos a pensar en algo blando y blandito. Pero investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson están utilizando los esqueletos vidriosos de esponjas marinas como inspiración para la próxima generación de edificios más fuertes y altos, puentes más largos y naves espaciales más ligeras. 

En un nuevo artículo publicado en Nature Materials , los investigadores demostraron que la estructura esquelética en forma de celosía cuadrada reforzada diagonalmente de Euplectella aspergillum , una esponja marina de aguas profundas, tiene una relación resistencia-peso más alta que los diseños de celosía tradicionales que tienen utilizado durante siglos en la construcción de edificios y puentes.

“Descubrimos que la estrategia de refuerzo diagonal de la esponja logra la mayor resistencia al pandeo para una cantidad determinada de material, lo que significa que podemos construir estructuras más fuertes y resistentes reorganizando inteligentemente el material existente dentro de la estructura”, dijo Matheus Fernandes, estudiante de posgrado en SEAS y primer autor del artículo. 

“En muchos campos, como la ingeniería aeroespacial, la relación resistencia-peso de una estructura es de vital importancia”, dijo James Weaver, científico principal de SEAS y uno de los autores correspondientes del artículo. “Esta geometría de inspiración biológica podría proporcionar una hoja de ruta para diseñar estructuras más ligeras y resistentes para una amplia gama de aplicaciones”.

Si alguna vez ha atravesado un puente cubierto o ha armado un estante de almacenamiento de metal, ha visto arquitecturas de celosía diagonal. Este tipo de diseño utiliza muchas vigas diagonales pequeñas y poco espaciadas para distribuir uniformemente las cargas aplicadas. Esta geometría fue patentada a principios del siglo XIX por el arquitecto e ingeniero civil, Ithiel Town, que quería un método para hacer puentes resistentes con materiales ligeros y baratos.

Arquitectura bioinspirada

Representación compuesta que pasa de un esqueleto de esponja vítrea a la izquierda a una celosía soldada a base de barras de refuerzo a la derecha, lo que destaca la naturaleza de inspiración biológica de la investigación. Crédito: Imagen cortesía de Peter Allen, Ryan Allen y James C. Weaver / Harvard SEAS

“Town desarrolló una forma simple y rentable de estabilizar las estructuras de celosía cuadrada, que se utiliza hasta el día de hoy”, dijo Fernandes. “Hace el trabajo, pero no es óptimo, lo que genera desperdicio o material redundante y un límite en la altura que podemos construir. Una de las principales preguntas que impulsaron esta investigación fue: ¿podemos hacer que estas estructuras sean más eficientes desde la perspectiva de la asignación de materiales y, en última instancia, utilizar menos material para lograr la misma resistencia?

Afortunadamente, las esponjas de vidrio, el grupo al que Euplectella aspergillum , también conocido como Venus ‘Flower Basket pertenece – tuvo una ventaja de casi 500 millones de años en el lado de la investigación y el desarrollo. Para sostener su cuerpo tubular, Euplectella aspergillum emplea dos conjuntos de puntales esqueléticos diagonales paralelos, que se cruzan y se fusionan con una rejilla cuadrada subyacente, para formar un patrón robusto similar a un tablero de ajedrez.

“Hemos estado estudiando las relaciones estructura-función en los sistemas esqueléticos de las esponjas durante más de 20 años, y estas especies continúan sorprendiéndonos”, dijo Weaver.

En simulaciones y experimentos, los investigadores replicaron este diseño y compararon la arquitectura esquelética de la esponja con las geometrías de celosía existentes. El diseño de la esponja los superó a todos, soportando cargas más pesadas sin pandearse. Los investigadores demostraron que la estructura en diagonal cruzada paralela emparejada mejoró la resistencia estructural general en más del 20 por ciento, sin la necesidad de agregar material adicional para lograr este efecto.

“Nuestra investigación demuestra que las lecciones aprendidas del estudio de los sistemas esqueléticos de esponja se pueden aprovechar para construir estructuras geométricamente optimizadas para retrasar el pandeo, con enormes implicaciones para un mejor uso del material en aplicaciones de infraestructura modernas”, dijo Katia Bertoldi, William and Ami Kuan Danoff Professor of Applied Mechanics en SEAS y autor correspondiente del estudio.

Referencia: “Celosías mecánicamente robustas inspiradas en esponjas de vidrio de aguas profundas” por Matheus C. Fernandes, Joanna Aizenberg, James C. Weaver y Katia Bertoldi, 21 de septiembre de 2020, Nature Materials .
DOI: 10.1038 / s41563-020-0798-1

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual relacionada con este proyecto y está explorando oportunidades de comercialización.

Este artículo también fue coautor de Joanna Aizenberg, profesora de ciencia de materiales Amy Smith Berylson y profesora de química y biología química en SEAS, y la investigación fue apoyada en parte por la National Science Foundation a través de la Universidad de Harvard, ciencia e ingeniería de investigación de materiales. Centro DMR-2011754 y subvención NSF DMREF DMR-1922321

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