El molusco quitón, que mide aproximadamente de 1 a 2 pulgadas de largo, tiene una serie de ocho platos grandes y está rodeado por una faja de escalas más flexibles. El molusco es la inspiración detrás de una armadura impresa en 3D. Crédito:Virginia Tech
Las motivaciones para utilizar la biología como inspiración para la ingeniería varían según el proyecto, pero para Ling Li, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería, la combinación de flexibilidad y protección que se ve en el molusco quitón fue toda la motivación necesaria.
"El sistema que hemos desarrollado se basa en el chiton, que tiene un sistema de armadura biológica único, "Dijo Li." La mayoría de los moluscos tienen una sola cáscara rígida, como el abulón, o dos conchas, como las almejas.
Pero el quitón tiene ocho placas mineralizadas que cubren la parte superior de la criatura y alrededor de su base tiene un cinturón de escamas muy pequeñas ensambladas como escamas de pescado. que brindan flexibilidad y protección ".
El trabajo de Li, que apareció en la revista Comunicaciones de la naturaleza 10 de diciembre es el resultado de una colaboración con investigadores de diversas instituciones, incluido el Instituto de Tecnología de Massachusetts, el Instituto de Cáncer Dana-Farber de la Facultad de Medicina de Harvard, Universidad Estatal de California, Fullerton, el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces, Alemania, y el Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica de la Universidad de Harvard.
Debido a que el diseño mecánico de las escamas de la cintura del quitón no se había estudiado en profundidad antes, El equipo de investigadores necesitaba comenzar con el análisis mecánico y de materiales básicos con el molusco antes de usar esa información como bioinspiración para la investigación de ingeniería.
Una demostración de la armadura flexible impresa en 3D sobre vidrio roto. Crédito:Virginia Tech
"Estudiamos este material biológico de una manera muy detallada. Cuantificamos su microestructura interna, composición química, propiedades nanomecánicas, y geometría tridimensional. Estudiamos las variaciones geométricas de las escamas en múltiples especies de quitones, y también investigamos cómo se ensamblan las escalas a través del análisis de tomografía 3D, "Dijo Li.
Luego, el equipo desarrolló una metodología de modelado paramétrico 3-D para imitar la geometría de escalas individuales. Ensamblaron unidades de escala individuales en sustratos planos o curvos, donde los tamaños de las escamas, orientaciones, y las geometrías también se pueden variar, y utilizó la impresión 3-D para fabricar los modelos de armadura a escala de inspiración biológica.
"Producimos el ensamblaje de la escala inspirada en la escala de quitón directamente con impresión en 3-D de múltiples materiales, que consta de escamas muy rígidas sobre un sustrato flexible, "Li explicó. Con estos prototipos físicos de geometrías y tamaños de muestras controladas, el equipo realizó pruebas mecánicas directas en ellos con condiciones de carga controladas. Esto permitió a los investigadores comprender los mecanismos detrás del rendimiento de doble protección-flexibilidad del sistema de blindaje biológico.
La forma en que funciona la armadura de escamas es que cuando entra en contacto con una fuerza, las escamas convergen hacia adentro unas sobre otras para formar una barrera sólida. Cuando no está bajo la fuerza, pueden "moverse" uno encima del otro para proporcionar cantidades variables de flexibilidad dependiendo de su forma y ubicación.
"La fuerza proviene de cómo se organizan las escalas, de su geometría, "Li dijo." Reza's [Mirzaeifar, El equipo del profesor asistente de ingeniería mecánica] ha realizado un trabajo asombroso al utilizar el modelado computacional para revelar aún más cómo la armadura de la báscula se enclava y se vuelve rígida cuando la carga externa alcanza un valor crítico ".
Profesor asistente de ingeniería mecánica Ling Li, Derecha, con los estudiantes de doctorado Ting Yang, izquierda, y Zhifei Deng, centrar. Crédito:Virginia Tech
El diseño de la armadura específica para un lugar tiene en cuenta el tamaño de las escamas utilizadas. Escamas más pequeñas, como los que rodean el cinturón del quitón, son más útiles para las regiones que requieren la máxima flexibilidad, mientras que las escalas más grandes se utilizan para áreas que requieren más protección. "Trabajando con Reza, nuestro siguiente paso es expandir el espacio para que podamos diseñar armaduras a medida para diferentes ubicaciones del cuerpo.
La flexibilidad frente a las necesidades de protección del pecho, por ejemplo, será diferente que para el codo o la rodilla, por lo que necesitaríamos diseñar el ensamblaje de la escala en consecuencia en términos de geometría de escala, Talla, orientación, etc. "
El trabajo que se presenta comenzó con fondos del Departamento de Defensa cuando Li era asistente de investigación graduado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Desde que llegó a Virginia Tech en 2017, el trabajo ha continuado sin patrocinio como parte de su financiación inicial.
"Comenzamos con una motivación bastante pura:buscar materiales biológicos multifuncionales, "Dijo Li." Queríamos integrar flexibilidad y protección y eso es muy difícil de lograr con los sistemas sintéticos. Continuaremos con nuestra investigación para explorar el espacio de diseño más allá del sistema de modelo biológico original y realizar pruebas en diferentes condiciones de carga ".
Li admite el proceso, que ha llevado varios años, es largo, pero el trabajo es único en la forma en que lo han abordado desde el principio como un proceso de dos pasos en la realización de la investigación de materiales biológicos fundamentales seguida de la investigación bioinspirada.
"Tener ese nivel de familiaridad con el tema ha sido muy útil para el diseño y modelado de la armadura, "Dijo Li." Creo que este tipo de armadura bio-inspirada representará una mejora significativa de lo que está disponible actualmente ".
