| 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 se han
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 determinada cantidad 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 importancia crítica", agregó James
Weaver, científico senior 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".
Un diseño
de celosía estructural que utiliza vigas diagonales pequeñas
y poco espaciadas para distribuir uniformemente las cargas aplicadas fue
patentado a principios del siglo XIX por el arquitecto e ingeniero civil,
Ithiel Town, que quería un método para hacer puentes resistentes
con materiales livianos y baratos.
"Town desarrolló
una forma simple y rentable de estabilizar estructuras de celosía
cuadrada, que se utiliza hasta el día de hoy", dijo Fernandes. "Hace
el trabajo, pero no es óptimo, lo que lleva a material desperdiciado
o redundante y un límite en ¿Qué altura podemos construir?
Una de las preguntas principales 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, usar menos material para lograr la misma resistencia? "
Los investigadores
señalan que las esponjas de vidrio, el grupo al que pertenece Euplectella
aspergillum, también conocido como la canasta de flores de Venus,
tuvieron 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 doblarse. Los investigadores
demostraron que la estructura pareada en diagonal cruzada paralela 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 el
uso mejorado del material en aplicaciones de infraestructura modernas",
dijo Katia Bertoldi, William and Ami Kuan. Danoff profesor de mecánica
aplicada en SEAS y autor correspondiente del estudio.
La Oficina
de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual
relacionada con este proyecto y está explorando oportunidades de
comercialización.
Joanna Aizenberg,
profesora de ciencia de materiales y profesora de química y biología
química en SEAS, también es coautora de este artículo,
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. Centrar.
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