Tendría aplicaciones en equipos aeroespaciales, deportivos y automotrices
¿Cómo te proteges de un arma perfecta y llamativa? Desarrollas el escudo perfecto.
Si eres un camarón mantis con un arma sónica lo suficientemente fuerte como para romper conchas, es mejor que no te metas en peleas con tus amigos. Pero los pequeños crustáceos, entre las criaturas más resistentes del océano, no pueden resistirse a golpearse entre sí por el territorio, así que desarrollaron un escudo especializado en su segmento de cola llamado telson que absorbe los golpes.
El telson es una estructura multiescala con crestas en el exterior y una estructura con forma de escalera de caracol en el interior. Está inspirando una nueva clase de materiales livianos y resistentes a los impactos para cascos, automóviles y más.
Una nueva investigación dirigida por David Kisailus, profesor de Winston Chung en Innovación Energética de Marlan y Rosemary Bourns, Facultad de Ingeniería de UC Riverside, y Pablo Zavattieri, profesor y profesor de la Facultad de la Universidad de la Escuela de Ingeniería Civil Lyles de Purdue, han desbloqueado el secreto del telson, con miras a crear mejores materiales para deportes, piezas aeroespaciales y una multitud de otras aplicaciones.
Vídeo: Un camarón mantis bloquea un golpe de un rival utilizando un segmento de cola similar a un escudo llamado telson.
Kisailus, cuyo laboratorio investiga estructuras biológicas compuestas como inspiración para nuevos materiales, dijo que la investigación de Sheila Patek, de la Universidad de Duke, sobre la capacidad del telson para absorber energía, lo inspiró a investigar el papel que tienen las características arquitectónicas multiescala en la resistencia al impacto.
Algunas especies de camarones mantis, llamados aplastadores debido a su poderoso golpe del dáctilo o garra, habitan en cavidades en los arrecifes de coral. Es feroz la competencia por el limitado número de cuevas adecuadas y los mantis usan su telson para protegerse de los devastadores golpes.
Los tipos menos agresivos de camarones mantis, llamados lanceros, después del apéndice que usan para apuñalar a sus presas, también tienen un telson. Los lanceros viven en la arena, que es abundante, y por lo tanto tienen menos conflictos sobre el hábitat.
Kisailus, el investigador principal de una subvención multiuniversitaria financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, y su equipo iniciaron los estudios tanto de la arquitectura a gran escala como de la estructura interna de ambos tipos de telson y sometieron a cada uno a pruebas mecánicas. Encontraron una estructura helicoidal dentro de este escudo especializado que evita que crezcan las grietas y, en última instancia, disipa significativas cantidades de energía de los golpes para evitar fallas catastróficas. La estructura helicoidal, o similar a la madera contrachapada torcida, es parecida a una que los investigadores identificaron previamente en el dáctilo del aplastador que le permite romper las conchas sin partirse.
"Durante más de una década, hemos estado estudiando el dáctilo del camarón mantis aplastador. Nos dimos cuenta de que si estos organismos se golpeaban con fuerzas tan increíbles, el telson debía ser diseñado de tal manera que actuara como el escudo perfecto", dijo Kisailus. "Descubrimos que no solo el telson del aplastador contenía la microestructura helicoidal, sino que había muchas más capas en el tipo aplastador que en el tipo lancero".
Zavattieri agregó que siempre hay una compensación entre la cantidad de material requerido para la protección y la capacidad liviana para un despliegue rápido, como lo demuestra el aplastador.
"Tener acceso a una de las arquitecturas de materiales más eficientes, como el helicoide, junto con una geometría inteligente, hace que esta sea otra solución ganadora encontrada por la naturaleza", dijo.
Los investigadores también revelaron la función de las crestas altamente curvas, llamadas carinae, que recorren la longitud del telson en el mantis aplastador mediante la realización de pruebas mecánicas en el telson y réplicas impresas en 3D de su estructura.
"Cuando observamos las carinae, fue obvio que endurecieron el telson a lo largo de su eje más largo", dijo Kisailus. "Sin embargo, encontramos que las carinae también permiten que el telson se flexione hacia adentro cuando las fuerzas se aplicaron perpendicularmente a su eje largo. Esto nos permitió descubrir la función no obvia de estas crestas, que era absorber cantidades significativas de energía durante un ataque. Los modelos de Pablo validaron luego nuestras hipótesis".
Zavattieri aplicó principios de mecánica simple y modelado computacional para comprender el papel de la carinae.
"Descubrimos que estas características geométricas pueden llevar a reforzar o suavizar el comportamiento estructural. Estos mecanismos en competencia son, en principio, contraintuitivos, y aún hay más que aprender de estas especies", dijo Zavattieri. "Además, estos principios pueden aplicarse a materiales en los que se necesita una protección ligera contra impactos".
Kisailus y su equipo han estado incorporando los hallazgos en el desarrollo de materiales altamente resistentes al impacto para su uso en cascos y otros materiales estructurales.
"Es un momento muy emocionante para nosotros, ya que nos hemos comprometido con varias entidades, incluidos equipos aeroespaciales, deportivos y automotrices, que están interesados en implementar esta tecnología", dijo Kisailus. "Dos de los miembros de mi equipo están trabajando actualmente con los Laboratorios de Investigación de la Fuerza Aérea para hacer materiales más ligeros y fuertes".
El artículo científico: "The Stomatopod Telson: Convergent Evolution in the Development of a Biological Shield", ha sido publicado en Advanced Functional Materials.
