Cuando pensamos en esponjas, tendemos a pensar en algo blando y blando. Pero investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson están utilizando los esqueletos vidriosos de esponjas marinas como inspiración para la próxima generación de edificios más fuertes y altos. puentes más largos, y naves espaciales más ligeras.

En un nuevo artículo publicado en Materiales de la naturaleza , Los investigadores demostraron que la estructura esquelética en forma de celosía cuadrada reforzada diagonalmente de Euplectella aspergillum, una esponja marina de aguas profundas, tiene una relación resistencia-peso más alta que los diseños de celosía tradicionales que se han utilizado durante siglos en la construcción de edificios y puentes.

"Descubrimos que la estrategia de refuerzo diagonal de la esponja logra la mayor resistencia al pandeo para una cantidad determinada de material, lo que significa que podemos construir estructuras más fuertes y resistentes reorganizando inteligentemente el material existente dentro de la estructura, "dijo Matheus Fernandes, estudiante de posgrado en SEAS y primer autor del artículo.

"En muchos campos, como la ingeniería aeroespacial, la relación resistencia-peso de una estructura es de vital importancia, "dijo James Weaver, un científico senior en SEAS y uno de los autores correspondientes del artículo. "Esta geometría de inspiración biológica podría proporcionar una hoja de ruta para diseñar más ligeros, estructuras más fuertes para una amplia gama de aplicaciones ".

Si alguna vez ha atravesado un puente cubierto o ha armado un estante de almacenamiento de metal, has visto arquitecturas de celosía diagonal. Este tipo de diseño utiliza muchos pequeños, vigas diagonales estrechamente espaciadas para distribuir uniformemente las cargas aplicadas. Esta geometría fue patentada a principios del siglo XIX por el arquitecto e ingeniero civil, Pueblo de Ithiel, que quería un método para hacer puentes resistentes con materiales ligeros y baratos.

"Town desarrolló un sencillo forma rentable de estabilizar estructuras de celosía cuadrada, que se usa hasta el día de hoy, ", dijo Fernandes." Hace el trabajo, pero no es óptimo lo que lleva a material desperdiciado o redundante y un límite sobre la altura que podemos construir. Una de las principales preguntas que impulsaron esta investigación fue:¿Podemos hacer que estas estructuras sean más eficientes desde la perspectiva de la asignación de materiales? en última instancia, utilizar menos material para lograr la misma resistencia? "

Afortunadamente, las esponjas de vidrio, el grupo al que pertenece Euplectella aspergillum, también conocido como la canasta de flores de Venus, tuvo una ventaja de casi 500 millones de años en el lado de la investigación y el desarrollo. Para sostener su cuerpo tubular, Euplectella aspergillum emplea dos conjuntos de puntales esqueléticos diagonales paralelos, que se cruzan y se fusionan con una cuadrícula cuadrada subyacente, para formar un patrón robusto similar a un tablero de ajedrez.

"Hemos estado estudiando las relaciones estructura-función en los sistemas esqueléticos de esponja durante más de 20 años, y estas especies nos siguen sorprendiendo, "dijo Weaver.

En simulaciones y experimentos, los investigadores replicaron este diseño y compararon la arquitectura esquelética de la esponja con las geometrías de celosía existentes. El diseño de la esponja los superó a todos, soportar cargas más pesadas sin pandearse. Los investigadores demostraron que la estructura en diagonal cruzada paralela pareada mejoró la resistencia estructural general en más del 20 por ciento, sin necesidad de agregar material adicional para lograr este efecto.

"Nuestra investigación demuestra que las lecciones aprendidas del estudio de los sistemas esqueléticos de esponjas se pueden aprovechar para construir estructuras geométricamente optimizadas para retrasar el pandeo, con enormes implicaciones para un mejor uso de materiales en aplicaciones modernas de infraestructura, "dijo Katia Bertoldi, el Profesor William y Ami Kuan Danoff de Mecánica Aplicada en SEAS y autor correspondiente del estudio.