updated 10:44 PM CEST, Sep 29, 2016

Escamas de pescado impresas en 3D pueden mejorar armaduras militares

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esqueleto de pez dragón

Para el estudio, un equipo del MIT, ha utilizado escamas del pez dragón (Polypterus senegalus)

La armadura del cuerpo humano ha recorrido un largo camino desde los trajes de acero chapado de la Edad Media, pero las estructuras protectoras de los animales - como algunas conchas y escamas - todavía superan el equipo artificial más sofisticado hecho por el hombre en términos de movilidad y rigidez.

Los investigadores del MIT están utilizando la impresión 3D para que los seres humanos se pongan al día con sus parientes animales mediante el estudio de algunas de las formas más resistentes de armadura de los animales, en particular las escamas de pescado, para el diseño de un prototipo que se asemeje a la flexibilidad, comodidad y durabilidad que se encuentra en el mundo natural.

"Queremos entender cómo interactúan las escamas entre sí para proporcionar movilidad, pero también cómo las escamas, a nivel global, ofrecen estructura, rigidez y flexibilidad al mismo tiempo", dijo Swati Varshney, un estudiante graduado en el MIT, durante un simposio sobre la ropa inteligente en la Universidad de Harvard en el 15 de noviembre

Esta armadura bio-inspirada - también llamada armadura biomimética, ya que imita la naturaleza - ha existido por años, incluso se remonta al Imperio Romano cuando los soldados llevaban escamas metálicas, atuendo que recuerda al pescado o la piel de los anfibios. Sin embargo, los recientes avances en la impresión 3D ahora permiten a los investigadores imitar, más estrecha y eficazmente, estas estructuras naturales mediante la creación de modelos más grandes que las escamas reales y la realización de ensayos mecánicos que identifican las estructuras internas específicas que las hacen tan protectoras.

prototipos 3D de escamas de Polypterus senegalus

Las escamas del dragón

El científico de materiales del MIT Christine Ortiz y su equipo han centrado sus análisis en curso sobre el Bichir de Senegal (Polypterus senegalus) - un pez de escamas duras de aproximadamente 14 pulgadas de largo (36 centímetros), que también se conoce como un pez dragón por su cuerpo delgado y puntiagudas aletas dorsales.

Para el estudio de las escamas del pez dragón - que se componen casi en su totalidad de cerámica natural - el equipo separó primero muestras de un pez vivo, explicó Ortiz durante una conferencia-coloquio. Las escamas son tan duras que el equipo tuvo que utilizar una sierra eléctrica para extraerlas, pero el pez no se ve perjudicado y vuelve a crecer nuevas escamas dentro de varias semanas, dijo Ortiz.

Posteriormente, el equipo examinó las escamas con imágenes microscópicas y digitalización en 3D, y en última instancia creó modelos 3D impresos - de más de 10 veces el tamaño natural de la escama - para llevar a cabo las pruebas mecánicas que de lo contrario serían muy difíciles de realizar en las reales, y mucho menores, escamas.

En sus análisis de imagen, el equipo encontró que las escamas de los dragones tienen suaves aristas con hendiduras correspondientes que permiten a las escamas vecinas caber cómodamente juntas como piezas de un rompecabezas. La disposición exacta de las escamas varía a través del cuerpo en función del rango de movimiento requerido en diferentes regiones, dijo Ortiz. Tales variaciones pueden ayudar a informar cómo se puede adaptar la armadura en el cuerpo humano para proteger las regiones de alta movilidad, tales como codos, en comparación con los de menor movilidad, tales como antebrazos.

La composición física de la escama de cerámica también contribuye a su durabilidad, encontró el equipo: La cerámica posee grietas de tal manera que la energía se disipa hacia el interior, en vez de irradiarse hacia fuera como hacen otros materiales frágiles.

"Lo que hace la naturaleza, en muchos casos, es que suprime el agrietamiento radial en la cerámica y, en su lugar, básicamente se rompe en un círculo alrededor del impacto", dijo Ortiz durante la conferencia. "En lugar de romperse hacia el exterior, realmente va hacia adentro, disipando energía para detener la penetración sin sacrificar la integridad estructural de todo el sistema".

Aplicaciones militares y otras

El equipo utilizará los resultados para probar los límites estructurales de diferentes combinaciones de materiales y diseños, con una amplia posibilidad de aplicaciones. El trabajo es financiado en parte por el Ejército de los EE.UU., por lo que esperan que sus resultados tengan algunas aplicaciones militares, pero también esperan ampliar a otros ámbitos de la protección del hombre. Por ejemplo, una armadura escamosa hecha de materiales resistentes al calor, tales como la cerámica, podría ofrecer una protección térmica para los bomberos, o se puede configurar un material más ligero para crear guarda cuellos flexibles para los jugadores de fútbol, dijo Varshney.

"Nuestro objetivo es permitir la movilidad del usuario. Después de que solucionemos eso, entonces podemos empezar a hablar de la durabilidad de los diferentes sistemas que va a ser impulsados por los materiales que se utilizan en ellos".

Además de sus estudios con el pez dragón, el equipo está analizando las estructuras de otros peces blindados, incluyendo el pez espinoso de tres espinas y bagres blindados, con el fin de comparar los diferentes sistemas naturales y, finalmente, seleccionar y elegir conjuntos de cualidades más adecuadas para la protección del hombre.