Dale la vuelta a una langosta, y verá que la parte inferior de su cola está dividida en segmentos conectados por una membrana translúcida que parece bastante vulnerable en comparación con el caparazón en forma de armadura que protege al resto del crustáceo.

Pero los ingenieros del MIT y otros lugares han descubierto que esta membrana blanda es sorprendentemente resistente, con un microscópico, en capas estructura similar a la madera contrachapada que la hace notablemente tolerante a raspaduras y cortes. Esta película engañosamente resistente protege el vientre de la langosta mientras el animal corre a través del lecho marino rocoso.

La membrana también es elástica, en un grado, que permite a la langosta mover su cola hacia adelante y hacia atrás, y dificulta que un depredador muerda la cola o la separe.

Esta flexibilidad puede provenir del hecho de que la membrana es un hidrogel natural, compuesto por el 90 por ciento de agua. Quitina un material fibroso que se encuentra en muchas conchas y exoesqueletos, constituye la mayor parte del resto.

Los resultados del equipo muestran que la membrana de la langosta es el material más resistente de todos los hidrogeles naturales, incluido el colágeno, pieles de animales, y caucho natural. La membrana es tan fuerte como los compuestos industriales de caucho, como los que se utilizan para fabricar neumáticos de coche, mangueras de jardín, y cintas transportadoras.

La membrana resistente pero elástica de la langosta podría servir como guía de diseño para una armadura corporal más flexible, especialmente para las regiones del cuerpo con mucha movilidad, como codos y rodillas.

"Creemos que este trabajo podría motivar el diseño de armaduras flexibles, "dice Ming Guo, Profesor adjunto de desarrollo profesional de d'Arbeloff en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. "Si pudieras hacer armaduras con este tipo de materiales, Podrías mover libremente tus articulaciones, y te haría sentir más cómodo ".

El documento completo que detalla los resultados del equipo apareció en línea el 14 de febrero en la revista Acta Materialia. (La revista publicó una prueba sin corregir el 31 de enero). Los coautores de Guo son Jinrong Wu y Hao Zhang de la Universidad de Sichuan. Liangliang Qu y Fei Deng de la Universidad de Harvard, y Zhao Qin, quien es un científico investigador en el Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT y otro autor principal del artículo.

Protección flexible

Guo comenzó a investigar las propiedades de la membrana de la langosta después de una cena con un visitante de su laboratorio.

"Nunca antes había comido langosta, y quise probarlo, "Recuerda Guo." Si bien la carne era muy buena, se dio cuenta de que la membrana transparente del vientre era realmente difícil de masticar. Y nos preguntamos por qué era así ".

Si bien se ha dedicado mucha investigación a la característica distintiva de la langosta, caparazón parecido a una armadura, Guo descubrió que no se sabía mucho sobre los tejidos más suaves del crustáceo.

"Cuando las langostas nadan, estiran y mueven sus articulaciones y mueven la cola muy rápido para escapar de los depredadores, "Dice Guo." No se pueden cubrir por completo con un caparazón duro, necesitan estas conexiones más suaves. Pero nadie ha mirado la membrana antes, lo cual es muy sorprendente para nosotros ".

Así que él y sus colegas se dedicaron a caracterizar las propiedades del material inusual. Cortan cada membrana en rodajas finas, cada uno de los cuales pasó por varias pruebas experimentales. Colocaron unas rodajas en un horno pequeño para que se secasen, luego midió su peso. De estas medidas, estimaron que el 90 por ciento de la membrana de la langosta consiste en agua, convirtiéndolo en un material de hidrogel.

Mantuvieron otras muestras en agua salina para imitar un entorno oceánico natural. Con algunas de estas muestras, realizaron pruebas mecánicas, colocando cada membrana en una máquina que estira la muestra, mientras se mide con precisión la fuerza aplicada. Observaron que la membrana inicialmente estaba flácida y se estiraba fácilmente, hasta que alcanzó aproximadamente el doble de su longitud inicial, momento en el que el material comenzó a endurecerse y se hizo progresivamente más duro y más resistente al estiramiento.

"Esto es bastante exclusivo para los biomateriales, "Guo señala." Para muchos otros hidrogeles duros, cuanto más te estiras, cuanto más suaves son. Este comportamiento de endurecimiento por tensión podría permitir que las langostas se muevan de manera flexible, pero cuando pasa algo malo pueden endurecerse y protegerse ".

Contrachapado natural de langosta

Como una langosta se abre paso por el lecho marino, puede raspar rocas abrasivas y arena. Los investigadores se preguntaron qué tan resistente sería la membrana de la langosta a rasguños y cortes tan pequeños. Usaron un pequeño bisturí para raspar las muestras de membrana, luego las estiró de la misma manera que las membranas intactas.

"Hicimos arañazos para imitar lo que podría suceder cuando se mueven por la arena, por ejemplo, "Guo explica." Incluso cortamos la mitad del grosor de la membrana y descubrimos que aún se podía estirar igualmente. Si hizo esto con compuestos de caucho, se romperían ".

Luego, los investigadores se acercaron a la microestructura de la membrana mediante microscopía electrónica. Lo que observaron fue una estructura muy similar a la madera contrachapada. Cada membrana, mide aproximadamente un cuarto de milímetro de espesor, está compuesto por decenas de miles de capas. Una sola capa contiene innumerables fibras de quitina, parecido a filamentos de paja, todos orientados en el mismo ángulo, exactamente 36 grados de compensación de la capa de fibras de arriba. Similar, la madera contrachapada está hecha típicamente de tres o más capas delgadas de madera, el grano de cada capa se orienta en ángulo recto con las capas de arriba y de abajo.

"Cuando rotas el ángulo de las fibras, capa por capa, tienes buena fuerza en todas direcciones, "Dice Guo." La gente ha estado usando esta estructura en materiales secos para tolerancia a defectos. Pero esta es la primera vez que se ve en un hidrogel natural ".

Dirigido por Qin, El equipo también llevó a cabo simulaciones para ver cómo reaccionaría una membrana de langosta a un simple corte si sus fibras de quitina estuvieran alineadas como madera contrachapada. versus en orientaciones completamente aleatorias. Para hacer esto, Primero simularon una sola fibra de quitina y le asignaron ciertas propiedades mecánicas, como fuerza y ​​rigidez. Luego reprodujeron millones de estas fibras y las ensamblaron en una estructura de membrana compuesta de fibras completamente aleatorias o capas de fibras orientadas con precisión. similar a la membrana de langosta real.

"Es sorprendente tener una plataforma que nos permite probar y mostrar directamente cómo las fibras de quitina idénticas producen propiedades mecánicas muy diferentes una vez que se integran en varias arquitecturas", dice Qin.

Finalmente, los investigadores crearon una pequeña muesca a través de las membranas aleatorias y en capas, y fuerzas programadas para estirar cada membrana. La simulación visualizó la tensión en cada membrana.

"En la membrana aleatoria, el estrés fue todo igual, y cuando lo estiraste, se fracturó rápidamente, "Dice Guo." Y encontramos que la estructura en capas se estiró más sin romperse ".

"Un misterio es cómo se pueden guiar las fibras de quitina para que se ensamblen en una arquitectura en capas tan única para formar la membrana de la langosta, ", Dice Qin." Estamos trabajando para comprender este mecanismo, y creen que ese conocimiento puede ser útil para desarrollar formas innovadoras de gestionar la microestructura para la síntesis de materiales ".

Además de la armadura corporal flexible, Guo says materials designed to mimic lobster membranes could be useful in soft robotics, as well as tissue engineering. Si algo, the results shed new light on the survival of one of nature's most resilient creatures.

"We think this membrane structure could be a very important reason for why lobsters have been living for more than 100 million years on Earth, " Guo says. "Somehow, this fracture tolerance has really helped them in their evolution."

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.