Imagina un futuro en el que los edificios se elevan millas sobre las calles de abajo, los turistas hacen excursiones de un día al borde de nuestra atmósfera, y se pueden ver múltiples estaciones espaciales a la deriva por el cielo nocturno. Para hacer realidad esta visión de ciencia ficción, necesitaremos crear nuevos tipos de estructuras que sean livianas pero aún fuertes y resistentes.

Un enfoque tradicional de este proceso de diseño implicaría la creación de nuevos materiales, como las superaleaciones, metales que son excepcionalmente fuertes y resistentes a temperaturas extremas. Estos materiales avanzados nos han permitido volar más rápido que la velocidad del sonido y enviar rovers a Marte.

Sin embargo, no podemos simplemente "inventar" nuevos elementos químicos, y solo hay un número finito de formas de mezclar y combinar las que ya tenemos. Por lo tanto, necesitamos aprender nuevas formas de organizar los materiales disponibles actualmente para que las estructuras resultantes sean más fuertes y resistentes que los propios materiales.

Agradecidamente, la naturaleza ha luchado con este mismo problema durante cientos de millones de años. A diferencia de los ingenieros, sin embargo, la naturaleza no presenta nuevos arreglos, o "diseños mecánicos, "utilizando ecuaciones y algoritmos informáticos. produce muchos diseños diferentes a través de mecanismos evolutivos, como mutación genética. Luego, a través de la selección natural, los organismos con mejores diseños a menudo sobreviven a los que tienen peores diseños y entregan los planos de esos diseños a sus descendientes a través de la herencia genética.

Este proceso evolutivo puede producir diseños mecánicos extremadamente eficientes que a menudo no se parecen en nada a los que se utilizan en el mundo de la ingeniería. Por ejemplo, Estoy estudiando esponjas que viven en el fondo del océano para aprender nuevas formas de hacer vigas más fuertes:las estructuras que sostienen todo, desde nuestras casas hasta los marcos de nuestros autos y los puentes que atravesamos.

La ciencia detrás de la ingeniería bioinspirada

La ingeniería bioinspirada se ha convertido en un tema candente en el mundo de la ciencia. El objetivo es primero comprender cómo el diseño mecánico de una estructura biológica mejora su desempeño, y luego aplicar los principios físicos subyacentes a ese diseño para crear nuevas estructuras hechas por humanos.

Por ejemplo, las duras conchas de almejas y ostras están hechas de aragonito, un mineral quebradizo que es el ingrediente principal de la piedra caliza. Las conchas de almeja son duras porque este mineral no se empaqueta al azar, sino que está dispuesto en un patrón que parece una pared de ladrillos microscópicos. Las interfaces entre los ladrillos en esta pared evitan que las grietas crezcan en un camino recto a través del caparazón.

Simplemente copiar y pegar este diseño para crear una nueva estructura hecha por humanos no necesariamente nos daría una estructura con la misma dureza que el caparazón. Bastante, La ingeniería bioinspirada es un proceso de varios pasos.

Primero, identificamos la función de una estructura natural. Por ejemplo, la concha protege a la almeja de los depredadores. Próximo, cuantificamos cómo el diseño de esa estructura afecta su desempeño de esa función, en este caso, qué tan fuerte y resistente es la cáscara de la almeja en comparación con el aragonito mismo. Finalmente, queremos explicar la relación entre diseño y rendimiento. Para la concha de almeja, esto significaría derivar una ecuación que relacione parámetros como la relación de aspecto de los "ladrillos" microscópicos con la dureza del caparazón.

¿Qué hace que las esponjas sean tan fuertes?

A diferencia de un suave, esponja de cocina blanda, la esponja marina que estudio, Euplectella aspergillum , es rígido y fuerte. Tiene un esqueleto increíblemente complejo que consiste en un intrincado ensamblaje de fibras, conocido como espículas, no más grande que un cabello humano. Su función estructural es muy parecida a la de las miles de vigas que componen la Torre Eiffel.

Las espículas de la esponja son inusuales porque están hechas casi en su totalidad de vidrio. Aunque normalmente pensamos en el vidrio como un material débil y quebradizo, las espículas son increíblemente fuertes y resistentes. Este contraste es lo que originalmente me motivó a considerar qué hace que las espículas sean tan fuertes y cómo pueden enseñarnos a hacer rayos más fuertes.

Las capas conducen a la fuerza

Mi investigación se centra en un grupo especializado de espículas que actúan como raíces para anclar la esponja al sedimento blando del fondo del océano. Permanecer firmemente sujeto al fondo del océano permite que la esponja bombee agua a través de su cuerpo y filtre los microorganismos para comer.

Como la concha de la almeja, las espículas de anclaje también tienen un diseño mecánico microscópico. Si cortas uno abierto, encontrará que el vidrio de la espícula está dispuesto en capas concéntricas que se parecen mucho a los anillos de los árboles. Es posible que este diseño mecánico permita que las espículas del ancla se doblen más antes de romperse, y por lo tanto hace que la unión de la esponja sea más robusta.

Exploré esta idea midiendo cuánto se pueden doblar las espículas del ancla antes de romperse, y compararlas con espículas de otra esponja que tienen la misma composición química pero que no tienen capas. Los resultados de este experimento muestran que E. aspergillum las espículas pueden doblarse aproximadamente 2,4 veces más que las espículas sin capas.

Descubriendo el secreto de estructuras más fuertes

El siguiente paso en mi investigación es comprender por qué la simple disposición del vidrio en capas concéntricas tiene un efecto tan grande en la resistencia a la flexión. El plan es derivar ecuaciones que puedan predecir la fuerza de una viga con un cierto número de capas concéntricas y espesores de capa, el tercer paso del proceso de ingeniería bioinspirada. Si mis ecuaciones son correctas, deberían poder predecir con precisión la mejora de la fuerza que medí.

Hace unos años formé parte de un equipo que desarrolló un modelo teórico para hacer este tipo de predicciones. Sin embargo, las ecuaciones que componen este modelo predicen que las capas deberían aumentar la resistencia a la flexión de la espícula en solo un máximo de 33 por ciento, muy lejos del aumento del 140 por ciento que medí recientemente en las espículas reales. Esta diferencia sugiere que falta algo en nuestro modelo, y que tenemos que volver atrás y revisar estas ecuaciones.

Una vez que tengamos un modelo preciso, podríamos usar las ecuaciones para diseñar en forma de espículas, vigas en capas que son mucho más fuertes que las estructuras de última generación de hoy. Estas vigas en capas podrían usarse en última instancia para fabricar cohetes, aviones, y hábitats espaciales que son sustancialmente más ligeros, y por tanto más eficiente, que los que usamos hoy. En cierto sentido, Los secretos de diseño del fondo del océano podrían eventualmente ayudarnos a explorar nuevos mundos.

Este artículo se publicó originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.