¿Cómo te proteges del arma perfecta para golpear? Desarrollas el escudo perfecto.
Si eres un camarón mantis con un brazo parecido a un palo lo suficientemente fuerte como para romper almejas, será mejor que no pelees con tus amigos. Pero los pequeños crustáceos, entre las criaturas más feroces del océano, no pueden resistirse a golpearlosentre sí sobre el hábitat, por lo que desarrollaron un escudo especializado en su segmento de cola llamado telson que absorbe los golpes. El telson es una estructura multiescala con crestas en el exterior y una estructura con forma de escalera de caracol en el interior. Está inspirando un nuevoclase de materiales ligeros y resistentes a los impactos para cascos, automóviles y más.
La investigación dirigida por David Kisailus, el Profesor Winston Chung Endowed en Innovación Energética en la Facultad de Ingeniería Marlan y Rosemary Bourns de UC Riverside; y Pablo Zavattieri, profesor y Académico de la Facultad de la Universidad en la Escuela de Ingeniería Civil Lyles de Purdue han desbloqueado el secreto del telson -- con miras a crear mejores materiales para deportes, aeroespacial y una multitud de otras aplicaciones.
Kisailus, cuyo laboratorio investiga estructuras compuestas biológicas como inspiración para nuevos materiales, dijo que 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 camarones mantis, llamados smashers debido a su poderoso club de dactilos, habitan cavidades en los 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 delos camarones mantis, llamados spearers, después del apéndice que usan para apuñalar a sus presas, también tienen un telson. Los spears viven en la arena, que es abundante, y por lo tanto tienen menos conflictos sobre el hábitat.
Kisailus, el investigador principal de una subvención multiuniversitaria financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, y su equipo iniciaron los estudios tanto de la arquitectura a gran escala como de la estructura interna de ambos tipos de telson y sometieron cada unopara pruebas mecánicas. Encontraron una estructura helicoidal dentro de este escudo especializado que evita el crecimiento de grietas y, en última instancia, disipa cantidades significativas de energía de los golpes para evitar fallas catastróficas. La estructura helicoidal, similar a la madera contrachapada retorcida, es similar a una que los investigadores identificaron previamenteen el club de dactyl del smasher que le permite romper las almejas sin romperse.
"Durante más de una década, hemos estado estudiando el club de dáctilos del tipo de camarones mantis. Nos dimos cuenta de que si estos organismos se golpeaban entre sí con fuerzas tan increíbles, el telson debe ser diseñado de tal manera que actúe comoel escudo perfecto ", dijo Kisailus." Descubrimos que el telson del destructor no solo contenía la microestructura helicoidal, sino que había significativamente más capas en el tipo de aplastamiento que en el tipo de lanza ".
Zavattieri agregó que siempre hay una compensación entre la cantidad de material requerido para la protección y la capacidad de peso ligero para un despliegue rápido como lo demuestra el destructor.
"Tener acceso a una de las arquitecturas de materiales más eficientes, como el helicoide, junto con una geometría inteligente, hace de esta otra solución ganadora encontrada por la naturaleza", dijo.
Los investigadores también revelaron la función de crestas altamente curvadas, llamadas carinas, que corren a lo largo del telson en la mantis aplastante realizando pruebas mecánicas en el telson, así como réplicas impresas en 3D de su estructura.
"Cuando observamos las carinas, era obvio que endurecían el telson a lo largo de su eje largo", dijo Kisailus. "Sin embargo, encontramos que las carinas también permitieron que el telson se flexionara hacia adentro cuando se aplicaron fuerzas perpendiculares a su eje largoEsto nos permitió descubrir la función no obvia de estas crestas, que consistía en absorber cantidades significativas de energía durante un ataque. Los modelos de Pablo validaron nuestras hipótesis ".
Zavattieri aplicó principios de mecánica simple y modelos computacionales para comprender el papel de las carinas.
"Descubrimos que estas características geométricas pueden conducir a un comportamiento estructural tanto rígido como suavizado. Estos mecanismos competitivos son, en principio, contra-intuitivos, y aún hay más que aprender de estas especies", dijo Zavattieri. "Además, estos principios puedenluego se aplicará a aplicaciones donde se necesita protección contra impactos livianos "
Kisailus y su equipo han estado incorporando los hallazgos en el desarrollo de materiales altamente resistentes al impacto para su uso en cascos y otros materiales estructurales.
"Es un momento muy emocionante para nosotros ya que nos hemos comprometido con múltiples entidades, incluidos los equipos aeroespaciales, deportivos y automotrices, que están interesados en implementar esta tecnología", dijo Kisailus. "Dos de los miembros de mi equipo están trabajando actualmente conlos Laboratorios de Investigación de la Fuerza Aérea para hacer materiales más ligeros y fuertes "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Riverside . Original escrito por Holly Ober. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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