¿Qué puede decirnos un escarabajo sobre buenos principios de diseño? En realidad, bastante.
Muchos insectos y crustáceos poseen exoesqueletos duros con forma de armadura que, en teoría, deberían pesar a las criaturas. Pero, en cambio, los exoesqueletos son sorprendentemente livianos, incluso permitiendo que los insectos con armadura, como el escarabajo, vuelen.
Horacio D. Espinosa de Northwestern Engineering y su grupo están trabajando para comprender los principios de diseño subyacentes y las propiedades mecánicas que dan como resultado estructuras con estas propiedades únicas e ideales. Este trabajo finalmente podría descubrir información que podría guiar el diseño y la fabricación de productos nuevos y mejoradosmateriales artificiales mediante la emulación de estos patrones naturales probados por el tiempo, un proceso conocido como bioimimetría
Apoyado por la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria MURI de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la investigación apareció en la portada de Materiales funcionales avanzados . Los becarios posdoctorales Ruiguo Yang y Wei Gao y la estudiante graduada Alireza Zaheri, todos miembros del laboratorio de Espinosa, fueron los primeros autores del artículo. Cheryl Hayashi, profesora de biología en la Universidad de California, Riverside, también fue co-autor.
Aunque hay más de un millón de especies de escarabajos, el equipo está estudiando primero el exoesqueleto de Cotinis mutabilis, un escarabajo de plagas de cultivos nativos del oeste de los Estados Unidos. Como todos los insectos y crustáceos, su exoesqueleto está compuesto de madera contrachapada retorcidaestructuras, conocidas como estructuras de Bouligand, que ayudan a proteger contra los depredadores. Las fibras en esta estructura de Bouligand son haces de cadenas de polímeros de quitina envueltos con proteínas. En esta estructura de cadena, cada fibra tiene una densidad más larga a lo largo que a lo largo de la transversal.
"Es muy difícil caracterizar las propiedades de tales fibras dado que dependen direccionalmente y tienen un diámetro pequeño de solo 20 nanómetros", dijo Espinosa, la profesora James N. y Nancy J. Farley en Manufactura y Emprendimiento en Northwestern'sMcCormick School of Engineering. "Tuvimos que desarrollar un nuevo método de caracterización aprovechando la distribución espacial de las fibras en la estructura de Bouligand".
Para enfrentar este desafío, Espinosa y su equipo emplearon una forma creativa de identificar la geometría y las propiedades del material de las fibras que componen el exoesqueleto. Cortaron la estructura de Bouligand a lo largo de un plano, dando como resultado una superficie compuesta de secciones transversales muy compactasde fibras con diferentes orientaciones. Luego pudieron analizar la mecánica de las fibras.
"Con más de un millón de especies, que varían mucho entre sí en relación con la taxonomía, el tamaño y la ecología, el escarabajo es el grupo más grande de insectos", dijo Hayashi. "Lo que hace que esta investigación sea emocionante es que los métodos aplicados ael exoesqueleto del escarabajo Cotinis mutabilis puede extenderse a otras especies de escarabajos "
Al correlacionar las propiedades mecánicas con las geometrías del exoesqueleto de diversas especies de escarabajos, Espinosa y su equipo planean obtener información sobre la selección natural y comprender mejor las relaciones estructura-función-propiedades.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Original escrito por Amanda Morris. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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