Las notables propiedades estructurales de la esponja de cesta de flores de Venus (E. aspergillum) pueden parecer brazas alejadas de las estructuras diseñadas por humanos. Sin embargo, La comprensión de cómo el entramado de agujeros y crestas del organismo influye en la hidrodinámica del agua de mar en su vecindad podría conducir a diseños avanzados para edificios. puentes vehículos marinos y aviones, y cualquier cosa que deba responder con seguridad a las fuerzas impuestas por el flujo de aire o agua.

Si bien investigaciones anteriores han investigado la estructura de la esponja, Ha habido pocos estudios de los campos hidrodinámicos que rodean y penetran al organismo, y si, además de mejorar sus propiedades mecánicas, los motivos esqueléticos de E. Aspergillum subyacen a la optimización de la física del flujo dentro y fuera de su cavidad corporal.

Una colaboración en tres continentes en las fronteras de la física, biología, e ingeniería dirigida por Giacomo Falcucci (de la Universidad Tor Vergata de Roma y la Universidad de Harvard), en colaboración con Sauro Succi (Instituto Italiano de Tecnología) y Maurizio Porfiri (Escuela de Ingeniería de Tandon, New York University) aplicó músculo súper computacional y software especial para obtener una comprensión más profunda de estas interacciones, creando una primera simulación de la esponja de aguas profundas y cómo responde e influye en el flujo de agua cercana.

La obra, "Las simulaciones de flujo extremo revelan adaptaciones esqueléticas de esponjas de aguas profundas, "publicado en la revista Naturaleza , reveló una profunda conexión entre la estructura y la función de la esponja, arrojando luz sobre la capacidad de la esponja canasta para resistir las fuerzas dinámicas del océano circundante y su capacidad para crear un vórtice rico en nutrientes dentro de la "canasta" de la cavidad corporal.

"Este organismo se ha estudiado mucho desde un punto de vista mecánico debido a su asombrosa capacidad para deformarse sustancialmente a pesar de su fragilidad, estructura glassine, ", dijo el primer autor Giacomo Falcucci de la Universidad Tor Vergata de Roma y la Universidad de Harvard." Pudimos investigar aspectos de la hidrodinámica para comprender cómo la geometría de la esponja ofrece una respuesta funcional al fluido, para producir algo especial con respecto a la interacción con el agua ".

"Al explorar el flujo de líquido dentro y fuera de la cavidad corporal de la esponja, descubrimos las huellas de una esperada adaptación al medio. La estructura de la esponja no solo contribuye a reducir el arrastre, pero también facilita la creación de remolinos de baja velocidad dentro de la cavidad corporal que se utilizan para la alimentación y reproducción ", agregó Porfiri. coautor del estudio.

La estructura de E. Aspergillum, reproducido por el coautor Pierluigi Fanelli, de la Universidad de Tuscia, Italia, se asemeja a un delicado jarrón de vidrio en forma de una pared delgada, tubo cilíndrico con un gran atrio central, espículas silíceas, de ahí su denominación de uso común, "esponjas de vidrio". Las espículas se componen de tres rayos perpendiculares, dándoles seis puntos. Las espículas microscópicas se "tejen" juntas para formar una malla muy fina, lo que le da al cuerpo de la esponja una rigidez que no se encuentra en otras especies de esponjas y le permite sobrevivir a grandes profundidades en la columna de agua.

Para entender cómo hacen esto las esponjas de canasta de flores de Venus, el equipo hizo un uso extensivo de la computadora de clase exaescala Marconi100 en el centro de computación de alto rendimiento CINECA en Italia, que es capaz de crear simulaciones completas utilizando miles de millones de dinámicas, puntos de datos temporoespaciales en tres dimensiones.

Los investigadores también explotaron un software especial desarrollado por el coautor del estudio, Giorgio Amati, de SCAI (Super Computing Applications and Innovation) en CINECA, Italia. El software permitió simulaciones súper computacionales basadas en métodos Lattice Boltzmann, una clase de métodos de dinámica de fluidos computacional para sistemas complejos que representa el fluido como una colección de partículas y rastrea el comportamiento de cada una de ellas.

Los experimentos in-silico, con aproximadamente 100 mil millones de partículas virtuales, reprodujo las condiciones hidrodinámicas en el fondo del mar profundo donde vive E. Aspergillum. Los resultados procesados ​​por Vesselin K. Krastev en la Universidad Tor Vergata de Roma permitieron al equipo explorar cómo la organización de los agujeros y las crestas de la esponja mejora su capacidad para reducir las fuerzas aplicadas por el agua de mar en movimiento (una pregunta de ingeniería mecánica formulada por Falcucci y Succi). , y cómo su estructura afecta la dinámica del flujo dentro de la cavidad corporal de la esponja para optimizar la alimentación selectiva por filtración y el encuentro de gametos para la reproducción sexual (una pregunta biológica formulada por Porfiri y un biólogo experto en adaptaciones ecológicas en criaturas acuáticas, el coautor Giovanni Polverino del Centro de Biología Evolutiva de la Universidad de Australia Occidental, Perth).

"Este trabajo es una aplicación ejemplar de la dinámica de fluidos discreta en general y el método Lattice Boltzmann, en particular, ", dijo el coautor Sauro Succi del Instituto Italiano de Tecnología y la Universidad de Harvard. Sauro Succi es reconocido internacionalmente como uno de los padres del Método Lattice Boltzmann". La precisión del método, combinado con el acceso a una de las mejores supercomputadoras del mundo, nos permitió realizar niveles de cálculo nunca antes intentados, que arrojan luz sobre el papel de los flujos de fluidos en la adaptación de los organismos vivos al abismo ".

"Nuestra investigación del papel de la geometría de la esponja en su respuesta al flujo de fluido, tiene muchas implicaciones para el diseño de edificios de gran altura o, De Verdad, cualquier estructura mecánica, desde rascacielos hasta estructuras novedosas de baja resistencia para barcos, o fuselajes de aviones, "dijo Falcucci." Por ejemplo, ¿Habrá menos resistencia aerodinámica en edificios de gran altura construidos con una celosía similar de crestas y agujeros? ¿Optimizará la distribución de fuerzas aplicadas? Abordar estas mismas preguntas es un objetivo clave del equipo ".