¿Cómo te proteges del arma perfecta para golpear? Desarrollas el escudo perfecto.

Si eres un camarón mantis con un brazo en forma de garrote lo suficientemente fuerte como para romper conchas, Será mejor que no te metas en peleas con tus amigos. Pero los diminutos crustáceos, entre las criaturas más luchadoras del océano, no pueden resistirse a golpearse unos a otros por el hábitat, así que desarrollaron un escudo especializado en el segmento de su cola llamado telson que absorbe los golpes. El telson es una estructura multiescala con crestas en el exterior y una estructura en forma de escalera de caracol en el interior. Está inspirando una nueva clase de peso ligero, materiales resistentes a los impactos para cascos, carros, y más.

Investigación dirigida por David Kisailus, el Profesor de Innovación Energética de Winston Chung en la Facultad de Ingeniería Marlan y Rosemary Bourns de UC Riverside; y Pablo Zavattieri, un profesor y becario de la facultad universitaria de la Escuela de Ingeniería Civil Lyles de Purdue ha descubierto el secreto de Telson, con miras a crear mejores materiales para los deportes, aeroespacial, y una multitud de otras aplicaciones.

Kisailus, cuyo laboratorio investiga estructuras biológicas compuestas como inspiración para nuevos materiales, dijo un artículo de Sheila Patek de la Universidad de Duke sobre la capacidad del telson para absorber energía, lo inspiró a investigar el papel que tienen las características arquitectónicas multiescala en la resistencia al impacto.

Algunas especies de camarón mantis, llamados smashers debido a su poderoso club dactyl, habitan cavidades en arrecifes de coral. La competencia por el número limitado de cuevas adecuadas es feroz y las mantis usan su telson para protegerse de golpes devastadores. Tipos menos agresivos de camarón mantis, llamados lanceros —por el apéndice que usan para apuñalar a sus presas— también tienen un telson. Los lanceros viven en la arena que es abundante, y así tener menos conflictos sobre el hábitat.

Kisailus, el investigador principal de una beca multiuniversitaria financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, y su equipo inició los estudios tanto de la arquitectura a gran escala como de la estructura interna de ambos tipos de telson y los sometió a pruebas mecánicas. Encontraron una estructura helicoidal dentro de este escudo especializado que evita que las grietas crezcan y, en última instancia, disipa cantidades significativas de energía de los golpes para evitar fallas catastróficas. El helicoidal o contrachapado retorcido, La estructura es similar a una que los investigadores identificaron previamente en el mazo de dáctilos del aplastador que le permite romper las conchas sin romperse.

"Por mas de una decada, hemos estado estudiando el club dactyl del tipo aplastante de camarón mantis. Nos dimos cuenta de que si estos organismos se golpeaban entre sí con fuerzas tan increíbles, el telson debe estar diseñado de tal manera que actúe como el escudo perfecto, ", Dijo Kisailus." Descubrimos que el telson del smasher no solo contenía la microestructura helicoidal, pero había significativamente más capas en el tipo aplastante que en el tipo lanza ".

Zavattieri agregó que siempre hay una compensación entre la cantidad de material requerido para la protección y la capacidad liviana para un despliegue rápido, como lo demostró el aplastador.

"Tener acceso a una de las arquitecturas de materiales más eficientes, como el helicoide, junto con una geometría inteligente, hace que esta sea otra solución ganadora encontrada por la naturaleza, " él dijo.

Los investigadores también revelaron la función de las crestas muy curvas, llamado carinae, que recorren la longitud del telson en la mantis aplastante realizando pruebas mecánicas en el telson, así como réplicas impresas en 3-D de su estructura.

"Cuando observamos las carinas, era obvio que endurecieron el telson a lo largo de su eje largo, "Dijo Kisailus." Sin embargo, descubrimos que las carinas también permitían que el telson se flexionara hacia adentro cuando se aplicaban fuerzas perpendiculares a su eje largo. Esto nos permitió descubrir la función no obvia de estas crestas, que iba a absorber cantidades significativas de energía durante una huelga. Luego, los modelos de Pablo validaron nuestras hipótesis ".

Zavattieri aplicó principios de mecánica simple y modelado computacional para comprender el papel de las carinas.

"Descubrimos que estas características geométricas pueden llevar tanto a endurecer como a suavizar el comportamiento estructural. Estos mecanismos en competencia son, en principio, contraintuitivos, y aún hay más que aprender de estas especies, "Zavattieri dijo." Además, estos principios se pueden aplicar luego a aplicaciones donde se necesita una protección contra impactos liviana ".

Kisailus y su equipo han estado incorporando los hallazgos en el desarrollo de materiales altamente resistentes a los impactos para su uso en cascos y otros materiales estructurales.

"Es un momento muy emocionante para nosotros, ya que nos hemos comprometido con varias entidades, incluyendo aeroespacial, Deportes, y equipos de automoción, que estén interesados ​​en implementar esta tecnología, "Dijo Kisailus." Dos de los miembros de mi equipo están trabajando actualmente con los Laboratorios de Investigación de la Fuerza Aérea para hacer más livianos, materiales más fuertes ".