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Una esponja marina inspira cómo levantar rascacielos más altos

15 minutos. Esqueletos vidriosos de esponjas marinas están sirviendo como inspiración para la próxima generación de rascacielos más altos y sólidos, puentes más largos y naves espaciales más ligeras.

En un nuevo artículo publicado en Nature Materials, los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson demuestran que la estructura esquelética en forma de celosía cuadrada reforzada diagonalmente de Euplectella aspergillum, una esponja marina de aguas profundas, tiene una relación resistencia-peso más alta que los diseños de celosía tradicionales que se vienen utilizado durante siglos en la construcción de edificios y puentes.

"Descubrimos que la estrategia de refuerzo diagonal de la esponja logra la mayor resistencia al pandeo para una cantidad determinada de material, lo que significa que podemos construir estructuras más fuertes y resistentes reorganizando inteligentemente el material existente dentro de la estructura", dijo Matheus Fernandes, estudiante de posgrado en SEAS y primer autor del artículo.

"En muchos campos, como la ingeniería aeroespacial, la relación resistencia-peso de una estructura es de vital importancia", dijo James Weaver, científico principal de SEAS y uno de los autores correspondientes del artículo. "Esta geometría de inspiración biológica podría proporcionar una hoja de ruta para diseñar estructuras más ligeras y resistentes para una amplia gama de aplicaciones".

El diseño constructivo de arquitecturas de celosía diagonal utiliza muchas vigas diagonales pequeñas y poco espaciadas para distribuir uniformemente las cargas aplicadas. Esta geometría fue patentada a principios del siglo XIX por el arquitecto e ingeniero civil Ithiel Town, que quería un método para hacer puentes resistentes con materiales livianos y baratos.

"Town desarrolló una forma simple y rentable de estabilizar las estructuras de celosía cuadrada, que se utiliza hasta el día de hoy", dijo Fernandes. "Hace el trabajo, pero no es óptimo, lo que genera material desperdiciado o redundante y un límite en la altura que podemos construir. Una de las preguntas principales que impulsaron esta investigación fue, ¿podemos hacer que estas estructuras sean más eficientes desde la perspectiva de la asignación de materiales? , en última instancia, utilizar menos material para lograr la misma resistencia? "

Las esponjas de vidrio, el grupo al que pertenece Euplectella aspergillum, también conocido como la canasta de flores de Venus, tuvieron una ventaja de casi 500 millones de años en el lado de la investigación y el desarrollo. Para sostener su cuerpo tubular, Euplectella aspergillum emplea dos conjuntos de puntales esqueléticos diagonales paralelos, que se cruzan y se fusionan con una rejilla cuadrada subyacente, para formar un patrón robusto similar a un tablero de ajedrez.

"Hemos estado estudiando las relaciones estructura-función en los sistemas esqueléticos de las esponjas durante más de 20 años, y estas especies continúan sorprendiéndonos", dijo Weaver.

En simulaciones y experimentos, los investigadores replicaron este diseño y compararon la arquitectura esquelética de la esponja con las geometrías de celosía existentes. El diseño de la esponja los superó a todos, soportando cargas más pesadas sin doblarse. Los investigadores demostraron que la estructura en diagonal cruzada paralela emparejada mejoró la resistencia estructural general en más del 20 por ciento, sin la necesidad de agregar material adicional para lograr este efecto.

El diseño utiliza muchas vigas diagonales

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