Cuando pensamos en esponjas, tendemos a pensar en algo blando y blando. Pero los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard SEAS están usando los esqueletos vidriosos de esponjas marinas como inspiración para la próxima generaciónde edificios más fuertes y más altos, puentes más largos y naves espaciales más ligeras.
en un nuevo artículo publicado en Materiales naturales , 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 construcciónde 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, un graduadoestudiante de SEAS y primer autor del artículo.
"En muchos campos, como la ingeniería aeroespacial, la relación resistencia-peso de una estructura es de importancia crítica", dijo James Weaver, científico principal de SEAS y uno de los autores correspondientes del artículo. "Esto biológicamente-La geometría inspirada podría proporcionar una hoja de ruta para diseñar estructuras más ligeras y resistentes para una amplia gama de aplicaciones ".
Si alguna vez atravesó un puente cubierto o armó un estante de almacenamiento de metal, habrá visto arquitecturas de celosía diagonal. Este tipo de diseño utiliza muchas vigas diagonales pequeñas y poco espaciadas para distribuir uniformemente las cargas aplicadas. Esta geometría fue patentadaa principios del siglo XIX por el arquitecto e ingeniero civil, Ithiel Town, que quería un método para hacer puentes resistentes con materiales ligeros y baratos.
"Town desarrolló una forma simple y rentable de estabilizar estructuras de celosía cuadrada, que se utiliza hasta el día de hoy", dijo Fernandes. Hace el trabajo, pero no es óptimo, lo que lleva a material desperdiciado o redundante y alímite sobre la altura que podemos construir. Una de las preguntas principales que impulsaron esta investigación fue, ¿podemos hacer que estas estructuras sean más eficientes desde la perspectiva de la asignación de materiales, utilizando en última instancia 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 respaldar su cuerpo tubular,Euplectella aspergillum emplea dos conjuntos de puntales esqueléticos diagonales paralelos, que se cruzan y se fusionan a 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 las esponjas durante más de 20 años, y estas especies continúan sorprendiéndonos", 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, soportando cargas más pesadas sin pandeo. Los investigadores demostraron que la estructura pareada paralela cruzada diagonal mejoró la estructura generalresistencia en más del 20 por ciento, sin la necesidad de agregar material adicional para lograr este efecto.
"Nuestra investigación demuestra que las lecciones aprendidas del estudio de los sistemas esqueléticos de esponja se pueden explotar para construir estructuras geométricamente optimizadas para retrasar el pandeo, con enormes implicaciones para un mejor uso del material en aplicaciones de infraestructura modernas", dijo Katia Bertoldi, William andAmi Kuan Danoff, profesor de mecánica aplicada en SEAS y autor correspondiente del estudio.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard . Original escrito por Leah Burrows. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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