Los mundos animal y vegetal han inspirado a los científicos durante siglos, y los científicos siempre han estado interesados en por qué ciertos organismos son resistentes al impacto. Piense en el cráneo y el pico de un pájaro carpintero, la forma protectora en que se superponen las escamas de un pez, o la cáscara gruesa que evita que se rompa una fruta que cae.
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Una superestrella en este campo es la concha de caracol, del tipo que puede haber llevado a su oído para escuchar el océano. La concha reina es golpeada por las olas y los depredadores, pero la estructura del material que forma su caparazón es notablemente fuerte. Esto se debe a la estructura de la cubierta, que presenta capas de carbonato de calcio entrecruzadas dispuestas en diferentes orientaciones y separadas por proteínas más suaves, explica el profesor de ingeniería del MIT Markus Buehler, cuyo laboratorio diseñó una réplica artificial de esta estructura que podría ser utilizado en cascos y otras armaduras protectoras y publicado los resultados en la revista Advanced Materials . Tanto en la versión concha como en la hecha por el hombre, el "grano" del material se alterna en 90 grados, por lo que es poco probable que el impacto de cualquier dirección en particular avance.
"No solo podemos analizar estos sistemas y modelarlos e intentar optimizarlos, sino que en realidad podemos crear nuevos materiales reales con estas geometrías", dice Buehler.
Los científicos han modelado la estructura de la carcasa antes, pero los avances en la impresión 3D llevaron al equipo de Buehler a poder reproducirla. La innovación crucial fue una extrusora (la boquilla a través de la cual fluye el material) capaz de emitir polímeros múltiples pero relacionados, uno que es muy rígido y uno que es más flexible, para replicar las capas de carbonato de calcio y proteínas de la cubierta. Debido a que los polímeros son similares, pueden unirse entre sí sin pegamento, lo que hace que sea menos probable que se rompan. En las pruebas, que se realizan colocando pesos de acero de 5, 6 kilogramos a diferentes velocidades sobre las láminas del material, la estructura entrecruzada mostró un aumento del 85 por ciento en la energía que podría absorber, en comparación con el mismo material sin él.
Puede parecer simple diseñar cosas basadas en la naturaleza, pero hay mucho más que considerar que simplemente copiar un objeto directamente, señala el profesor de ingeniería mecánica de Indiana University-Purdue University Indianapolis Andreas Tovar. Tovar, que no estaba afiliado al estudio MIT, también trabaja en estructuras de protección bioinspiradas, como el diseño de un automóvil basado en una gota de agua y protegido por una estructura similar a una caja torácica.
La estructura molecular de la concha podría algún día usarse para fabricar cascos o armaduras más fuertes. (Wikimedia Commons) "Hay dos formas de hacer un diseño de inspiración biológica", dice. “Uno es a través de la observación de la estructura en la naturaleza y luego tratando de imitar esa estructura. El segundo enfoque es imitar el proceso que hace la naturaleza para crear una estructura ”. Por ejemplo, Tovar desarrolló un algoritmo para imitar los procesos celulares que construyen huesos humanos, un ejemplo del segundo enfoque. Buehler, en contraste, comenzó con el material más grande, o la estructura a nivel de órgano, de la concha reina y preguntó cómo recrear esa estructura con materiales hechos por el hombre.
Tanto el trabajo de Tovar como el de Buehler implican discernir qué partes de la estructura son instrumentales para su función y cuáles son vestigios de diferentes presiones evolutivas. A diferencia de un organismo vivo, un casco de inspiración biológica, por ejemplo, no necesita incluir funciones biológicas como la respiración y el crecimiento.
"Una pieza clave es que [el laboratorio de Buehler] replica la complejidad jerárquica que se encuentra en la naturaleza", dice Tovar. “Pueden fabricar utilizando métodos de fabricación aditiva. Prueban y ven este impresionante aumento en el rendimiento mecánico ".
Aunque Buehler recibió fondos del Departamento de Defensa, que está interesado en cascos y chalecos antibalas para soldados, dice que es igual de aplicable, y posiblemente más útil, en deportes, como cascos de bicicleta o fútbol. "Podrían optimizarse, podrían ir más allá de los requisitos de diseño actuales, que son bastante simplistas: tienes un poco de espuma, tienes una cáscara dura y eso es todo", dice.
Todavía no hay casco, dice Buehler: han construido el material y planean aplicarlo a los cascos a continuación. Y el diseño es importante, incluso más allá del material. “Incluso si no usamos los materiales rígidos y blandos que usamos aquí, los que hemos impreso en 3D, si hace lo mismo con otros materiales, puede usar acero y concreto u otros tipos de polímeros, tal vez cerámica. - Al hacer lo mismo, es decir, las mismas estructuras, puedes mejorar incluso sus propiedades, más allá de lo que pueden hacer por sí mismas ”, dice.
