Las motivaciones para usar la biología como inspiración para la ingeniería varían según el proyecto, pero para Ling Li, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería, la combinación de flexibilidad y protección observada en el molusco quitón fue toda la motivación necesaria.
"El sistema que hemos desarrollado se basa en el quitón, que tiene un sistema de armadura biológica único", dijo Li. "La mayoría de los moluscos tienen una única concha rígida, como el abulón, o dos conchas, como las almejas".
Pero el quitón tiene ocho placas mineralizadas que cubren la parte superior de la criatura y alrededor de su base tiene una faja de escamas muy pequeñas ensambladas como escamas de pescado, que proporcionan flexibilidad y protección ".
El trabajo de Li, que apareció en la revista Comunicaciones de la naturaleza 10 de diciembre, es el resultado de una colaboración con investigadores de varias instituciones, incluido el Instituto de Tecnología de Massachusetts, el Instituto de Cáncer Dana-Farber en la Facultad de Medicina de Harvard, la Universidad Estatal de California, Fullerton, el Instituto de Coloides Max Planck yInterfaces, Alemania, y el Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en la Universidad de Harvard.
Debido a que el diseño mecánico de las escamas de la faja del quitón no se había estudiado en profundidad antes, el equipo de investigadores necesitaba comenzar con el material básico y el análisis mecánico con el molusco antes de usar esa información como bioinspiración para la investigación de ingeniería.
"Estudiamos este material biológico de manera muy detallada. Cuantificamos su microestructura interna, composición química, propiedades nanomecánicas y geometría tridimensional. Estudiamos las variaciones geométricas de las escalas a través de múltiples especies de quitones, y tambiéninvestigó cómo se ensamblan las escalas a través del análisis de tomografía 3D ", dijo Li.
El equipo desarrolló una metodología de modelado 3D paramétrico para imitar la geometría de escalas individuales. Montaron unidades de escala individuales en sustratos planos o curvos, donde los tamaños, orientaciones y geometrías de las escalas también se pueden variar, y utilizaron la impresión 3Dpara fabricar los modelos de armadura a escala bioinspirados.
"Produjimos el ensamblaje de escala inspirado en la escala de quitón directamente con impresión 3D de múltiples materiales, que consiste en escalas muy rígidas sobre un sustrato flexible", explicó Li. Con estos prototipos físicos de geometrías y tamaños de muestras controladas, el equiporealizó pruebas mecánicas directas con condiciones de carga controladas, lo que permitió a los investigadores comprender los mecanismos detrás del rendimiento de doble protección-flexibilidad del sistema de blindaje biológico.
La forma en que funciona la armadura de escala es que cuando está en contacto con una fuerza, las escalas convergen hacia adentro para formar una barrera sólida. Cuando no están bajo la fuerza, pueden "moverse" una encima de la otra para proporcionar cantidades variables deflexibilidad dependiendo de su forma y ubicación.
"La fuerza proviene de cómo están organizadas las escalas, de su geometría", dijo Li. "El equipo de Reza [Mirzaeifar, profesor asistente de ingeniería mecánica] ha hecho un trabajo increíble al utilizar el modelado computacional para revelar aún más cómo se convierte la armadura de la escalaentrelazado y rígido cuando la carga externa alcanza un valor crítico "
El diseño de la armadura específica del lugar tiene en cuenta el tamaño de las escamas utilizadas. Las escalas más pequeñas, como las que rodean la faja del quitón, son más útiles para las regiones que requieren la máxima flexibilidad, mientras que las escalas más grandes se usan para las áreas que requieren más protección"Trabajando con Reza, nuestro próximo paso es expandir el espacio para que podamos diseñar armaduras a medida para diferentes ubicaciones del cuerpo".
La flexibilidad frente a las necesidades de protección del cofre, por ejemplo, será diferente a la del codo o la rodilla, por lo que tendremos que diseñar el ensamblaje de la escala en consecuencia en términos de geometría, tamaño, orientación, etc. "
El trabajo que se presentó comenzó con fondos del Departamento de Defensa cuando Li era un asistente de investigación graduado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Desde que llegó a Virginia Tech en 2017, el trabajo ha continuado sin patrocinio como parte de su financiamiento inicial.
"Comenzamos con una motivación bastante pura: buscar materiales biológicos multifuncionales", dijo Li. "Queríamos integrar flexibilidad y protección y eso es muy difícil de lograr con sistemas sintéticos. Continuaremos con nuestra investigación para explorar el diseñoespacio más allá del sistema del modelo biológico original y realizar pruebas bajo diferentes condiciones de carga. "
Li admite que el proceso, que ha llevado varios años, es largo, pero el trabajo es único en la forma en que lo abordaron desde el principio como un proceso de dos pasos para llevar a cabo la investigación fundamental de materiales biológicos seguida por la bioinspiracióninvestigación.
"Tener ese nivel de familiaridad con el tema ha sido muy útil para el diseño y modelado de la armadura", dijo Li. "Creo que este tipo de armadura de inspiración biológica representará una mejora significativa de lo que está disponible actualmente".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Virginia Tech . Original escrito por Rosaire Bushey. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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