Inspirándose en la humilde esponja de las profundidades marinas, los ingenieros de la Universidad RMIT han desarrollado un nuevo material con una notable resistencia a la compresión y rigidez que podría mejorar los diseños arquitectónicos y de productos impresos en 3D

El diseño de doble celosía se inspira en el intrincado esqueleto de una esponja de aguas profundas conocida como cesta de flores de Venus, que vive en el océano Pacífico.

 

La estructura de doble celosía del equipo (izquierda) supera al diseño estándar de panal reentrante (derecha). / © www.rmit.edu.au

 

El Dr. Jiaming Ma, autor principal del último estudio del RMIT sobre la estructura, afirma que las pruebas exhaustivas y la optimización revelaron la impresionante combinación de rigidez y resistencia del patrón, junto con su capacidad para contraerse cuando se comprime.

 

Es este último aspecto, conocido como comportamiento auxético, el que abre todo un abanico de posibilidades para aplicar el diseño a la ingeniería estructural y otras aplicaciones.

 

"Mientras que la mayoría de los materiales adelgazan al estirarse o engordan al aplastarse, como el caucho, los auxéticos hacen lo contrario", explica Ma. "Los auxéticos pueden absorber y distribuir eficazmente la energía del impacto, lo que los hace extremadamente útiles". 

 

Entre los materiales auxéticos naturales están los tendones y la piel de gato, mientras que los sintéticos se utilizan para fabricar stents vasculares y cardíacos que se expanden y contraen según las necesidades.

Pero aunque los materiales auxéticos tienen propiedades útiles, su baja rigidez y su limitada capacidad de absorción de energía limitan sus aplicaciones. El diseño de doble celosía inspirado en la naturaleza del equipo es significativo porque supera estos principales inconvenientes.

 

"Cada celosía por sí sola tiene un comportamiento de deformación tradicional, pero si se combinan como hace la naturaleza en la esponja de las profundidades marinas, entonces se regula y mantiene su forma y supera a materiales similares por un margen bastante significativo", explica Ma, de la Escuela de Ingeniería de RMIT.

Los resultados publicados en Composite Structures muestran que, con la misma cantidad de material, el entramado es 13 veces más rígido que los materiales auxiliares existentes, basados en diseños de panal reentrante.

 

También puede absorber un 10% más de energía manteniendo su comportamiento auxético con un rango de deformación un 60% mayor que los diseños existentes. 

 

El Dr. Ngoc San Ha afirmó que la combinación única de estas propiedades abre varias aplicaciones interesantes para su nuevo material. "Este entramado auxético bioinspirado nos proporciona la base más sólida para desarrollar la próxima generación de edificios sostenibles", afirmó. "Nuestro metamaterial auxético de alta rigidez y absorción de energía podría ofrecer importantes ventajas en múltiples sectores, desde materiales de construcción hasta equipos de protección y equipamiento deportivo o aplicaciones médicas", añadió.

 

La estructura de celosía bioinspirada podría funcionar como armazón de un edificio de acero, por ejemplo, permitiendo utilizar menos acero y hormigón para lograr resultados similares a los de un armazón tradicional.

La estructura también podría servir de base para equipos ligeros de protección deportiva, chalecos antibalas o implantes médicos.

 

El profesor honorario Mike Xie afirmó que el proyecto pone de relieve el valor de inspirarse en la naturaleza.

"La biomímesis no sólo crea diseños bellos y elegantes como éste, sino que también crea diseños inteligentes que se han optimizado a lo largo de millones de años de evolución y de los que podemos aprender", afirmó Xie.  

 

Próximos pasos

El equipo del Centro de Estructuras y Materiales Innovadores de RMIT ha probado el diseño mediante simulaciones por ordenador y ensayos de laboratorio en una muestra impresa en 3D fabricada con poliuretano termoplástico.

 

Ahora planean producir versiones de acero del diseño para utilizarlas junto con estructuras de hormigón y tierra apisonada, una técnica de construcción que utiliza materias primas naturales compactadas.

 

"Aunque este diseño podría tener aplicaciones prometedoras en equipos deportivos, EPI y aplicaciones médicas, nos centramos sobre todo en el aspecto de la construcción", explica Ma. "Estamos desarrollando un material de construcción más sostenible utilizando la combinación única de auxeticidad, rigidez y absorción de energía de nuestro diseño para reducir el uso de acero y cemento en la construcción. Sus características auxéticas y de absorción de energía también podrían ayudar a amortiguar las vibraciones durante los terremotos".

 

El equipo también tiene previsto integrar este diseño con algoritmos de aprendizaje automático para optimizarlo aún más y crear materiales programables.

 

Fuente e imagen: https://www.rmit.edu.au

 

 

 

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