Ser atropellado por un automóvil no es una experiencia cercana a la muerte para el diabólico escarabajo acorazado.
Cómo sobrevive el escarabajo podría inspirar el desarrollo de nuevos materiales con la misma dureza hercúlea, según muestran los ingenieros en un artículo publicado el miércoles 21 de octubre en Naturaleza .
Estos materiales serían rígidos pero dúctiles como un clip, lo que haría que la maquinaria, como las turbinas de gas de los aviones, sea más segura y duradera, dijeron los investigadores.
El estudio, dirigido por ingenieros de la Universidad de California, Irvine UCI y la Universidad de Purdue, encontró que la superresistencia del diabólico escarabajo acorazado reside en sus dos "elytron" en forma de armadura que se unen en una línea, llamada sutura,la longitud del abdomen.
En los escarabajos voladores, los élitros protegen las alas y facilitan el vuelo. Pero el diabólico escarabajo acorazado no tiene alas. En cambio, los élitros y la sutura conectiva ayudan a distribuir la fuerza aplicada de manera más uniforme por todo su cuerpo.
"El tipo de sutura actúa como un rompecabezas. Conecta varias hojas exoesqueléticas - piezas de rompecabezas - en el abdomen debajo de los élitros", dijo Pablo Zavattieri, profesor de Ingeniería Civil Jerry M. y Lynda T. Engelhardt de Purdue.
Este rompecabezas viene al rescate de varias maneras diferentes según la cantidad de fuerza aplicada, dijo Zavattieri. Hay un video que explica estos hallazgos en YouTube en http://youtu.be/NS3AqJB5SfU .
Para descubrir estas estrategias, un equipo dirigido por el profesor de la UCI David Kisailus primero probó los límites del exoesqueleto del escarabajo y caracterizó los diversos componentes estructurales involucrados al observar las tomografías computarizadas.
Utilizando placas de acero compresivas, los investigadores de la UCI descubrieron que el diabólico escarabajo acorazado puede asumir una fuerza aplicada de aproximadamente 150 newtons, una carga de al menos 39.000 veces su peso corporal, antes de que el exoesqueleto comience a fracturarse.
Eso es más impresionante que los sonidos: un neumático de automóvil aplicaría una fuerza de aproximadamente 100 newtons si atropellara al escarabajo en una superficie de tierra, estiman los investigadores. Otros escarabajos terrestres que el equipo probó no pudieron manejar ni la mitad de la fuerza que un diabólicoacorazado puede soportar.
El laboratorio de Zavattieri siguió estos experimentos con extensas simulaciones por computadora y modelos impresos en 3D que aislaron ciertas estructuras para comprender mejor su papel en salvar la vida del escarabajo.
Todos estos estudios combinados revelaron que cuando se encuentra bajo una carga compresiva, como la de un neumático de automóvil, la sutura en forma de rompecabezas del diabólico escarabajo acorazado ofrece dos líneas de defensa.
Primero, las cuchillas interconectadas se bloquean para evitar que se salgan de la sutura como si fueran piezas de un rompecabezas. En segundo lugar, la sutura y las cuchillas se deslaminan, lo que conduce a una deformación más elegante que mitiga la falla catastrófica del exoesqueleto. Cada estrategia disipa energía para sortearun impacto fatal en el cuello, donde es más probable que se fracture el exoesqueleto del escarabajo.
Incluso si se aplica una fuerza máxima al exoesqueleto del escarabajo, la delaminación permite que las cuchillas interconectadas se salgan de la sutura con más suavidad. Si las cuchillas se entrelazaran demasiado o muy poco, la liberación repentina de energía haría que el cuello del escarabajoromper.
Aún no se sabe si el diabólico escarabajo acorazado tiene una forma de curarse a sí mismo después de sobrevivir a un "accidente" automovilístico. Pero conocer estas estrategias ya podría resolver los problemas de fatiga en varios tipos de maquinaria.
"Un desafío de ingeniería activo es unir diferentes materiales sin limitar su capacidad para soportar cargas. El diabólico escarabajo acorazado tiene estrategias para eludir estas limitaciones", dijo David Restrepo, profesor asistente de la Universidad de Texas en San Antonio que trabajó eneste proyecto como investigadora postdoctoral en el grupo de Zavattieri.
En las turbinas de gas de las aeronaves, por ejemplo, los metales y los materiales compuestos se unen con un sujetador mecánico. Este sujetador agrega peso e introduce tensión que podría provocar fracturas y corrosión.
"Estos sujetadores en última instancia disminuyen el rendimiento del sistema y deben reemplazarse cada cierto tiempo. Pero las suturas interfaciales del diabólico escarabajo acorazado proporcionan una falla sólida y más predecible que podría ayudar a resolver estos problemas", dijo Maryam Hosseini, quientrabajó en este proyecto como estudiante de doctorado e investigador postdoctoral en el grupo de Zavattieri. Hosseini es ahora gerente de ingeniería en Procter & Gamble Corp.
Los investigadores de la UCI construyeron un sujetador compuesto de fibra de carbono que imita la sutura de un diabólico escarabajo acorazado. Los investigadores de Purdue descubrieron mediante pruebas de carga que este sujetador es tan fuerte como un sujetador aeroespacial estándar, pero significativamente más resistente.
"Este trabajo muestra que podemos pasar de usar materiales fuertes y frágiles a otros que pueden ser fuertes y duros al disipar la energía cuando se rompen. Eso es lo que la naturaleza ha permitido que haga el diabólico escarabajo acorazado", dijo Zavattieri.
Esta investigación cuenta con el apoyo financiero de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Oficina de Investigación del Ejército a través de la Iniciativa de Investigación Multiuniversitaria número de premio FA9550-15-1-0009. El estudio utilizó recursos de Advanced Light Source, unInstalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Purdue . Original escrito por Kayla Wiles. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :