Los investigadores están buscando nuevos materiales para sentar las bases de estructuras vivas que respondan a su entorno. Su objetivo es crear infraestructuras autosostenibles que puedan controlar su estado e incluso repararse por sí mismas.

Cuando Eleni Chatzi no está ocupada leyendo artículos técnicos sobre puentes vibratorios, infraestructuras inteligentes e ingeniería basada en datos, disfruta sumergirse en novelas de ciencia ficción. "Me gusta reflexionar sobre ideas poco convencionales e imaginar un mundo que está por venir, "dice Chatzi, Catedrático de Mecánica Estructural en ETH Zurich. En efecto, Hay un tono de ciencia ficción cuando habla de aplicaciones a las que su investigación podría conducir algún día. Una de esas visiones futuristas son los puentes que surgen de un puñado de semillas y consisten enteramente en material orgánico.

Este ingeniero civil de 38 años, cuya cátedra ha recibido financiación de Albert Lück-Stiftung desde 2010, se especializa en monitoreo de salud estructural. Chatzi diagnostica la salud de las presas, puentes turbinas de viento, aviones y vehículos que utilizan sensores, algoritmos que convierten y procesan señales, y aprendizaje automático. En la actualidad, Los ingenieros tienen que instalar externamente los sensores necesarios para medir la tensión, deformación, aceleración, viento y tensión, o incorporar estos dispositivos en el diseño estructural inicial. "Sin embargo, esto suele ser un gasto adicional y un factor perturbador, especialmente en obras de construcción, "explica Chatzi. Las cuadrillas tienen que instalar innumerables cables para transmitir los datos medidos a una computadora central para su análisis." Por eso nos gustaría desarrollar infraestructuras y máquinas con inteligencia intrínseca que sean conscientes de su condición incluso sin sensores montados externamente, "dice Chatzi.

Concreto consciente

Una clase de materiales sin precedentes proporciona la base para este tipo de infraestructura autoconsciente, y los investigadores de todo el mundo han estado ocupados explorando sus misterios durante los últimos años. Un ejemplo es el hormigón intrínseco que se detecta a sí mismo. Mezclado con fibras de carbono, nanotubos de carbono y polvo de níquel, este material monitorea su estado de forma autónoma para proporcionar información sobre grietas, humedad o cargas inusualmente pesadas. Estos datos se extraen de la estructura aplicando voltaje y midiendo constantemente la resistencia eléctrica.

Una segunda línea de investigación sobre materiales con propiedades autocurativas apunta en una dirección similar. El año pasado, en un proyecto inspirado en la fotosíntesis de las plantas, Investigadores estadounidenses presentaron un polímero que puede repararse a sí mismo al reaccionar con el dióxido de carbono del aire circundante. Otros grupos están trabajando con bacterias que forman cal cuando se exponen al agua de lluvia y otra humedad. Agregado al concreto, pueden sellar pequeñas grietas por sí mismos. Se están realizando experimentos con redes microvasculares que liberan fluidos "curativos" cuando ocurre una lesión. Respondiendo como el organismo humano a una herida en la piel, se polimerizan para rellenar las fracturas.

Incorporando funciones biológicas

"Estamos viendo una fusión de la ciencia de los materiales y la biología, "dice Mark Tibbitt, Profesor del Laboratorio de Ingeniería Macromolecular de ETH Zurich. Señala que en el pasado, Los ingenieros químicos y otros habían buscado en la naturaleza principalmente inspiración para imitar propiedades como la capacidad de la flor de loto para repeler el agua. "Hoy dia, estamos tratando de incorporar funciones biológicas en los materiales ". Estos esfuerzos están impulsados ​​por los avances en la ciencia de los materiales y la biotecnología. La ingeniería del ADN y los nuevos métodos biológicos moleculares como la edición de genes CRISPR / Cas ahora pueden servir para introducir nuevas funciones biológicas en las células para muy propósitos específicos. La fabricación aditiva con impresoras 3-D permite diseño de material basado en datos. Combinando conceptos de varios campos:ingeniería química, química de polímeros, ciencia de materiales y biología de sistemas:la investigación de Tibbitt tiene como objetivo desarrollar polímeros similares a tejidos para aplicaciones biomédicas.

"Lo fascinante de los organismos vivos es que perciben su entorno, reaccionan e incluso se curan a sí mismos cuando se lesionan. Queremos inculcar estas cualidades en materiales e infraestructuras, "dice Tibbitt. Él cree que las aplicaciones futuras podrían incluir plantas de interior que limpian el aire y cambian el color de sus hojas para llamar la atención sobre la calidad del aire, y edificios que cambian con las estaciones para mantener confortable su clima interior.

Tibbitt conoció a Eleni Chatzi hace un año en un evento para explorar vías de investigación radicalmente nuevas. Aunque los dos trabajan en escalas muy diferentes, a menudo hablan de los mismos conceptos. Los temas recurrentes incluyen materiales que pueden "curarse" a sí mismos. Recientemente, comenzaron a fomentar el diálogo entre los investigadores de ETH sobre la vida, materiales e infraestructuras autodetectables y autocurativas. Científicos de materiales, químico, ingenieros civiles y eléctricos, biólogos e informáticos se han unido para desarrollar materiales con el objetivo de trabajar a diferentes escalas desde el principio en lugar de escalarlos en una etapa posterior. "ETH Zurich es el centro perfecto para esta empresa porque tiene mucha experiencia en todas las áreas clave, ", dice Tibbitt. Está previsto que en la primavera de 2020 se celebre un taller inicial y un simposio para que los expertos discutan el tema. La idea es definir las preguntas de investigación y luego lanzar los primeros proyectos transdisciplinarios.

Viviendo con entornos animados

Esta es una nueva vía de investigación en la que se han embarcado Chatzi y Tibbitt, y en esta etapa hay muchas más preguntas que respuestas. Una gran pregunta es cómo garantizar la seguridad y la estabilidad cuando las infraestructuras adquieren vida propia. Otro es cómo reaccionarán los seres humanos y los animales a un entorno diseñado que consta de organismos vivos. ¿Y qué sucede si un organismo sintético se filtra de un nuevo material de construcción a las aguas circundantes? "Tenemos que pensar en cuestiones bioéticas y preocupaciones de seguridad desde el primer día, "dice Tibbitt.

Estos riesgos también presentan grandes oportunidades:la producción de hormigón representa alrededor del ocho por ciento del CO2 global de hoy. ₂ emisiones. Franjas enteras de playas de arena están siendo sacrificadas por el boom mundial de la construcción. Muchos vertederos están llenos de escombros de edificios demolidos. Las infraestructuras orgánicas con ciclos de materiales cerrados, como los puentes hechos de fibra vegetal notablemente robusta, ofrecen una alternativa sostenible. Si está dañado, podrían repararse a sí mismos. Al final de su vida útil, simplemente podrían descomponerse en componentes compostables individuales.