A juzgar solo por su nombre, las esponjas marinas de color naranja pueden parecer improbables modelos de fuerza estructural. Pero mantener su forma en el fondo del océano agitado es fundamental para la supervivencia de las criaturas, y una nueva investigación muestra que pequeñas barras estructurales en sus cuerposhan desarrollado la forma óptima para evitar el pandeo bajo presión.
Las varillas, llamadas espículas de Strongyloxea, miden aproximadamente 2 milímetros de largo y son más delgadas que un cabello humano. Cientos de ellas están agrupadas, formando estructuras rígidas en forma de costillas dentro del cuerpo esponjoso del puffball naranja. Era la forma extraña y notablemente consistente.de cada espícula que llamó la atención de los ingenieros de la Universidad de Brown, Haneesh Kesari y Michael Monn. Cada uno tiene una forma simétrica cónica a lo largo, pasando gradualmente de más gordo en el medio a más delgado en los extremos.
Usando modelos de mecánica estructural y un poco de excavación en revistas de matemáticas oscuras, Monn y Kesari mostraron que la forma peculiar de las espículas es óptima para la resistencia al pandeo, el modo primario de falla para estructuras delgadas. Esta forma natural podría proporcionar un modeloPara aumentar la resistencia al pandeo en todo tipo de esbeltas estructuras hechas por el hombre, desde construir columnas hasta radios de bicicleta o stents arteriales, dicen los investigadores
"Este es uno de los raros ejemplos que conocemos donde una estructura natural no solo es adecuada para una función determinada, sino que en realidad se acerca a un óptimo teórico", dijo Kesari, profesor asistente de ingeniería en Brown."No existe un análogo de ingeniería para esta forma: no vemos columnas u otras estructuras delgadas que se estrechen de esta manera. Entonces, en este caso, la naturaleza nos ha mostrado algo bastante nuevo que creemos que podría ser útil en ingeniería".
Los hallazgos se publican en la revista Informes científicos .
Función y forma
esponjas de puffball naranja Tethya aurantia son nativos del mar Mediterráneo.Viven principalmente en entornos costeros rocosos, donde están sujetos al estrés constante de las olas submarinas y las fuerzas de marea.Las esponjas son alimentadores de filtro: bombean agua a través de sus cuerpos para extraer nutrientes y oxígeno.Para hacer esto, sus cuerpos deben ser porosos y conformes, pero también necesitan suficiente rigidez para evitar deformarse demasiado.
"Si los comprime demasiado, esencialmente los está ahogando", dijo Kesari. "Por lo tanto, mantener su rigidez es fundamental para su supervivencia".
Y eso significa que las espículas, que forman las estructuras en forma de costilla que dan rigidez a las esponjas, son componentes críticos. Cuando Monn y Kesari vieron las formas de las espículas bajo un microscopio, la consistencia de la forma cónica de la espícula a la espículafue difícil de perder
"Vimos la forma y nos preguntamos si podría haber un principio de ingeniería en funcionamiento aquí", dijo Kesari.
Para darse cuenta de eso, los investigadores primero necesitaban comprender qué fuerzas actuaban en cada espícula individual. Entonces Monn y Kesari desarrollaron un modelo de mecánica estructural de espículas unidas dentro de las costillas de una esponja. El modelo mostró que la falta de coincidencia en la rigidez entre el bultodel cuerpo blando de la esponja y las espículas más rígidas hacen que cada espícula experimente principalmente un tipo de carga mecánica: una carga de compresión en cada uno de sus extremos.
"Puedes imaginarte tomando un palillo de dientes e intentando apretarlo entre tus dedos", dijo Monn. "Así es como estas espículas ven el mundo".
El modo primario de falla para una estructura con esta carga mecánica es a través del pandeo. En cierta carga crítica, la estructura comienza a doblarse en algún lugar a lo largo de su longitud. Una vez que comienza la flexión, la fuerza transferida por la carga se amplifica en la flexiónpunto, lo que hace que la estructura se rompa o colapse.
Una vez que Kesari y Monn supieron qué fuerzas actuaban sobre las espículas y cómo fallarían, el siguiente paso fue ver si había algo especial en ellas que les ayudara a resistir el pandeo. Escaneo de imágenes de microscopio electrónico del interior de una espículay otras pruebas mostraron que eran sílice monolítica, esencialmente vidrio.
"Pudimos ver que no había ningún asunto divertido con las propiedades del material", dijo Monn. "Si hubiera algo que contribuyera a su rendimiento mecánico, tendría que ser la forma".
forma óptima
Kesari y Monn peinaron la literatura para ver si podían encontrar algo sobre el estrechamiento en estructuras esbeltas. Salieron vacías en la literatura de ingeniería moderna. Pero encontraron algo interesante publicado hace más de 150 años por un científico alemán llamado Thomas Clausen.
En 1851, Clausen propuso que las columnas que se estrechan hacia sus extremos deberían tener más resistencia al pandeo que los cilindros lisos, que habían sido y siguen siendo el diseño principal para las columnas arquitectónicas. En la década de 1960, el matemático Joseph Keller publicó una prueba matemática sólida de quela columna Clausen era realmente óptima para la resistencia al pandeo, con una resistencia 33 por ciento mejor que un cilindro. Incluso en comparación con una forma muy similar, una elipse, que es ligeramente más gorda en el medio y más puntiaguda en los extremos, la columna Clausentenía 18 por ciento mejor resistencia al pandeo.
Sabiendo cuál es la forma óptima de la columna, Monn y Kesari comenzaron a realizar mediciones dimensionales precisas de docenas de espículas. Mostraron que sus formas eran notablemente consistentes y casi idénticas a las de la columna Clausen.
"Las espículas coincidían con la mejor forma de todas las formas de columna posibles", dijo Monn.
Parece que en este caso, la selección natural descubrió algo que los ingenieros no tienen. A pesar de que se ha demostrado matemáticamente que es la forma óptima de la columna, el perfil de Clausen no es ampliamente conocido en la comunidad de ingenieros. Kesari y Monn esperaneste trabajo podría sacarlo de las sombras.
"Vemos esto como una adición a nuestra biblioteca de diseños estructurales", dijo Monn. "No solo estamos hablando de una mejora de unos pocos por ciento. Esta forma es 33 por ciento mejor que el cilindro, lo cual es una gran mejora"
En particular, la forma sería particularmente útil en una nueva generación de materiales hechos de estructuras de celosía a nanoescala. "Sería fácil imprimir en 3D el perfil de Clausen en estos materiales, y obtendría un tremendo aumento en el pandeoresistencia, que a menudo es la forma en que estos materiales fallan "
Lecciones de la naturaleza
El campo de la ingeniería bioinspirada comenzó en un momento en que muchas personas veían la evolución adaptativa como una marcha incesante hacia la perfección. Si eso fuera cierto, los científicos deberían encontrar innumerables estructuras óptimas en la naturaleza.
Pero la comprensión moderna de la evolución es un poco diferente. Ahora se entiende que para que un rasgo sea conservado por la selección natural, no tiene que ser óptimo. Solo debe ser lo suficientemente bueno para funcionar. Eso tieneKesari y Monn dicen que pone un poco de freno al entusiasmo por la ingeniería bioinspirada.
Sin embargo, dicen, este trabajo muestra que existen estructuras casi óptimas si los investigadores miran en los lugares correctos. En este caso, observaron criaturas de un filo muy antiguo: las esponjas marinas se encuentran entre los primeros animales en la Tierra- Con mucho tiempo para evolucionar bajo presiones de selección consistentes.
Las esponjas también son criaturas bastante simples, por lo que comprender la función de un rasgo dado es relativamente sencillo. En este caso, la espícula parece tener un solo trabajo: proporcionar rigidez. Compárelo con, por ejemplo, humanoEl hueso, que no solo proporciona soporte, sino que también debe acomodar las arterias, proporcionar puntos de fijación para los músculos y la médula ósea de la casa.
"Con las esponjas, tienes mucha presión evolutiva, mucho tiempo y oportunidad para responder a esa presión y elementos funcionales que se pueden identificar fácilmente", dijo Kesari.
Con esos como principios rectores, bien puede haber estructuras más ideales esperando a ser encontradas.
"Este trabajo muestra que la naturaleza puede alcanzar un óptimo", dijo Kesari, "y el mundo biológico aún puede estar ocultando diseños completamente nuevos de considerable importancia tecnológica a la vista".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Brown . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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