La Esponja de las Profundidades del Mar Inspira una Estructura de Celosía Súper Resistente para la Ingeniería

Un equipo de ingenieros del Centro de Estructuras y Materiales Innovadores de RMIT utilizó la biomimética para desarrollar una estructura de celosía súper resistente que ofrece un rendimiento mejorado en comparación con las opciones tradicionales basadas en panales.

Inspirado en la esponja de aguas profundas, la cesta de flores de Venus, el diseño aprovecha millones de años de evolución para optimizar la auxeticidad, la rigidez y la absorción de energía. He aquí cómo esta estructura de celosía ultra resistente podría ser la clave para desbloquear edificios de próxima generación, procedimientos médicos y mucho más.

Comprendiendo los Materiales Auxéticos

Para comprender la importancia de este desarrollo, es vital entender el papel crucial que los materiales auxéticos desempeñan tanto en aplicaciones naturales como artificiales.

Estos materiales difieren de los elementos tradicionales que se aplastan al comprimirse o se alargan al estirarse.

En cambio, los materiales auxéticos presentan una contracción lateral bajo compresión. Esta característica los hace ideales para aplicaciones donde es necesario absorber y distribuir la energía de impacto de manera eficaz.

Cabe destacar que existen versiones naturales de materiales auxéticos, como los tendones musculares, y ejemplos fabricados, como los stents cardíacos que deben ajustarse a las demandas de presión vascular.

La Evolución de los Diseños Auxéticos

A lo largo de los años, se ha invertido mucho en I&D para desarrollar los materiales auxéticos más eficaces. Algunos diseños actuales incluyen estructuras quirales, panales en forma de estrella, estructuras de cuerpos rígidos giratorios, auxéticos multimateriales y panales reentrantes. De estas opciones, los panales hexagonales reentrantes son los más destacados.

El Panal Hexagonal Reentrante: Un Enfoque Tradicional

El diseño del panal hexagonal reentrante se inspiró biológicamente en los panales encontrados en colmenas. Fue desarrollado en 1982 y presenta costillas diagonales que se desplazan hacia adentro bajo compresión, reforzando el diseño.

Desde entonces, el diseño se ha mejorado con vigas adicionales para aumentar el rendimiento. Sin embargo, aún existen muchas desventajas en la disposición del panal en términos de flexibilidad, costos de producción y rendimiento general.

Avanzando en las Estructuras de Celosía: El Estudio BLS

Reconociendo las limitaciones en este campo emergente, un equipo de investigadores de la Universidad RMIT desarrolló un diseño auxético propietario que puede superar a sus predecesores en todos los aspectos. El informe “Comportamiento auxético y características de absorción de energía de una estructura de celosía inspirada en la esponja de aguas profundas“¹ publicado en Composite Structures destaca cómo el nuevo diseño se inspiró en la estructura esquelética de una esponja profunda y es capaz de superar a los panales hexagonales reentrantes en 13 veces.

La Cesta de Flores de Venus: El Plano de la Naturaleza

La esponja de aguas profundas Euplectella Aspergillum, conocida colectivamente como la cesta de flores de Venus, posee una de las estructuras esqueléticas más duraderas y únicas de la naturaleza. La esponja presenta una estructura esquelética en forma de cuadrícula compuesta por elementos vidriosos llamados espículas que forman una malla cuadrada.

Fuente – RMIT Centre for Innovative Structures and Materials

La malla está reforzada por vigas de doble celosía que le dan a la estructura una apariencia de tablero de ajedrez con cuadrados alternados rellenos. Estas celdas abiertas y cerradas proporcionan al organismo propiedades mecánicas únicas, incluyendo una rigidez inigualable y una absorción de energía de alto rendimiento.

Construcción de un Modelo 3D de la Estructura de Celosía Bioinspirada

Los ingenieros construyeron un modelo 3D para demostrar sus descubrimientos y probar sus teorías. Su estructura de celosía cúbica centrada en el cuerpo se imprimió en poliuretano termoplástico. Incluía nueve celdas cuadradas dispuestas en una cuadrícula de 3 × 3. Con atención, el equipo observó que, por sí sola, cada celosía mostraba un comportamiento de deformación. Sin embargo, cuando se combinaban, el material exhibía acciones auxéticas.

Simulaciones Computacionales: Refinando el Diseño BLS

El siguiente paso fue utilizar los datos de las pruebas para crear simulaciones por computadora. Esta maniobra permite a los ingenieros mejorar su ritmo de pruebas y probar formas y diseños más exóticos en más ensayos. Utilizaron simulaciones para evaluar la influencia de variaciones geométricas.

Se documentaron los datos de cada material, incluyendo su comportamiento auxético, rigidez y capacidades de absorción de energía. Además, el equipo revisó el impacto de parámetros estructurales como la disposición y el grosor de las barras no diagonales y dobles diagonales. Luego, el equipo afinó el espaciado entre las barras dobles diagonales para lograr un rendimiento óptimo.

Pruebas del BLS: Verificación Experimental

Los investigadores probaron su nuevo diseño de celosía de diversas maneras. Específicamente, se utilizó un probador universal Shimadzu AGS-50kNXD para realizar pruebas de compresión uniaxial cuasiestática en las unidades BLS-0 y CAS impresas en 3D. Los ingenieros documentaron sistemáticamente todos los aspectos clave del material, incluyendo el comportamiento auxético, la rigidez y las propiedades de absorción de energía.

Resultados de Prueba Impresionantes

Las pruebas produjeron resultados impresionantes. Según los ingenieros, el BLS superó a las opciones hexagonales reentrantes en todos los aspectos. En términos de compresión, superó al diseño original en un 13 %. Además, absorbió un 10 % más de energía en un rango de deformación un 60 % mayor.

El BLS mostró casi el doble de rigidez que los diseños tradicionales de tubos. Además, fue 3 veces más fuerte y mostró 4 veces más robustez en comparación con sus predecesores de panal reentrante. Este rendimiento mecánico mejorado proviene de un diseño más ligero que utiliza mucho menos material que las alternativas.

Beneficios Clave de la Estructura de Celosía Bioinspirada

Hay muchos beneficios que hacen que el descubrimiento del BLS sea digno de mención. En primer lugar, brinda a los ingenieros un nuevo nivel de resistencia a la compresión y rigidez que permite la creación de objetos más duraderos. Desde viviendas hasta automóviles, este diseño más ligero podría mejorar la robustez de muchos objetos cotidianos que utilizas, así como de algunos de los proyectos más altamente ingenierizados de hoy.

El Papel de la Impresión 3D en la Fabricación del BLS

Otro beneficio importante de este diseño es que puede imprimirse en 3D. Este enfoque permite a los ingenieros personalizar la disposición para cumplir casi cualquier requisito de aplicación. Además, brinda la oportunidad de experimentar con otros materiales de manera controlada y fácil de integrar, impulsando más innovación.

Aplicaciones Reales Potenciales del BLS

Este material bioinspirado podría conducir al desarrollo de estructuras más fuertes y resilientes en industrias como la aeroespacial, automotriz y la ingeniería civil. Todos estos sectores buscan constantemente materiales que sean más ligeros, más fáciles de trabajar y que presenten mayor resistencia y rigidez.

Ahora, este equipo de investigadores innovadores busca inspirar una nueva clase de materiales auxéticos, ofreciendo propiedades mecánicas superiores como una mayor absorción de energía y rigidez estructural.

Aplicaciones de Ingeniería: ¿Qué Sigue?

Muchos analistas predicen que las aplicaciones podrían surgir dentro de los próximos 5 a 10 años, pendientes de más investigación y desarrollo. Aquí hay solo algunas de las aplicaciones potenciales de esta tecnología.

Construcción

Según los ingenieros, el sector de la construcción será su principal enfoque. Los materiales de construcción son costosos y sus precios han aumentado drásticamente en los últimos años. Este desarrollo podría revolucionar este sector de diversas maneras.

En primer lugar, permitiría a los constructores crear estructuras más fuertes que utilicen menos material. Imagine esta celosía reemplazando el armazón de acero de su casa o las vigas de un edificio. La disposición de tablero de ajedrez abierto y cerrado y el material ofrecen comportamiento auxético bajo compresión desde una estructura ligera.

Además, arquitectos e ingenieros podrían crear edificios más resilientes. Imagine un rascacielos diseñado para reducir vibraciones durante un terremoto o para endurecerse de una manera particular cuando el viento lo empuje. De esta forma, el BLS podría mejorar las capacidades de ingeniería estructural en todo el mercado.

Equipo de Protección

Otra área de interés para el BLS es la industria del equipo de protección. Este material hará que el equipo de protección personal sea más ligero y más resistente. El diseño de la celosía garantizará que el equipo ligero pueda resistir las condiciones e impactos más duros, abriendo la puerta a un nuevo nivel de seguridad en muchos de los deportes más peligrosos de hoy.

Militar

Existen varias aplicaciones militares para este material. Imagine chalecos antibalas de próxima generación, ligeros y ultrafinos. Los ingenieros podrían crear elementos como puentes temporales más fácilmente, mejorando tanto su montaje como su transporte. Además, podría desempeñar un papel en la creación de vehículos de próxima generación y otros equipos que requieran una rigidez mejorada pero que deban cumplir con estrictas limitaciones de peso.

Piense en drones que puedan volar más lejos y soportar más daño, o cascos que puedan resistir impactos directos de calibres altos sin romperse. Todo esto y más es posible mediante la tecnología BLS.

Aplicaciones Médicas

El campo médico podría usar esta tecnología para mejorar varios procedimientos. Por ejemplo, los implantes diseñados para mantener las arterias abiertas deben poder ajustarse bajo presiones extremas y durar sin degradarse durante años. El nuevo diseño de celosía brinda mayor durabilidad y rigidez cuando se necesita, evitando que las arterias se cierren y salvando vidas.

Automotriz

Hay muchas formas en que esta tecnología podría hacer su próximo vehículo más seguro y eficiente. En primer lugar, el diseño de tubo actualizado podría reemplazar el marco de acero que actualmente utilizan muchos fabricantes. Este nuevo diseño reduciría los costos de fabricación y mejoraría la resistencia y durabilidad.

Además, esta tecnología podría usarse para que su conducción sea mucho más suave. Visualice amortiguadores y otras estructuras de amortiguación de vibraciones creadas con estos materiales. Estos diseños podrían proporcionar mayor comodidad sin añadir peso al próximo vehículo eléctrico.

Investigadores de la Estructura de Celosía Bioinspirada (BLS)

El Centro de Estructuras y Materiales Innovadores de RMIT lideró el estudio, que incluyó a Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie y Ngoc San Ha como investigadores. Ahora, este equipo planea profundizar en el uso de otros materiales como el acero para probar su creación.

El equipo también ha manifestado interés en utilizar una combinación de materiales basados en sus propiedades únicas para intentar mejorar aún más el rendimiento. Estos experimentos incluirán la fabricación de vigas y cuadrados con diferentes materiales que puedan interactuar.

Invertir en el Sector de la Ciencia de Materiales

El sector de la ciencia de materiales cuenta con varios fabricantes líderes que continúan impulsar la tecnología a nuevos niveles. Este último desarrollo demuestra la velocidad a la que ocurre la innovación en el mercado. Aquí hay una empresa innovadora que está bien posicionada para integrar cualquier avance en la ciencia de materiales y mejorar sus retornos de inversión y su línea de productos.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) comenzó sus operaciones en 1948 y tiene su sede en Connecticut. Este fabricante con sede en EE. UU. se especializa en materiales diseñados en forma de panal. Desde su creación, Hexcel ha experimentado un gran éxito.

Curiosamente, uno de los primeros grandes contratos gubernamentales de la empresa fue desarrollar materiales de panal de nueva generación para su uso en cúpulas de radar en aviones militares durante la Segunda Guerra Mundial. Tras el fin de la guerra, la compañía adquirió California Reinforced Plastics y Ciba Composites.

En 1995, adquirió la división Hercules Composites Products. Hoy, es reconocida como una innovadora líder en el campo de los materiales compuestos avanzados para aplicaciones aeroespaciales e industriales. La empresa ayudó famosamente a diseñar y fabricar la nave de reentrada del Apolo 11 en 1968.

Hexcel posee varias patentes sobre su investigación y continúa destinando fondos al desarrollo de materiales de próxima generación que mejoran la integridad estructural, reducen el peso y ofrecen opciones de fabricación más sencillas.

Actualmente, Hexcel cuenta con 5 894 empleados y reportó $1,90 mil millones en ingresos en 2024. Su acción es considerada una fuerte “Compra” por la mayoría de los analistas, ya que la empresa sigue asegurando contratos gubernamentales y apoyo para tecnologías de próxima generación. Estos factores, junto con la historia y posición de la compañía, hacen de HXL una adición inteligente a cualquier cartera.

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El Futuro de las Estructuras de Celosía Bioinspiradas

Al examinar los beneficios que las estructuras de celosía bioinspiradas aportan al mercado, es fácil ver que algún día desempeñarán un papel vital al hacer que la electrónica sea más ligera, el equipo de protección más seguro y su futuro vehículo más robusto.

Además, los avances en la impresión 3D harán que sea aún más fácil para los ingenieros modelar y crear estructuras y materiales auxéticos de ultra‑rendimiento. Por ahora, este equipo merece reconocimiento por arrojar luz sobre cómo funcionan los materiales auxéticos y cómo la evolución ha ayudado a mejorar su diseño.

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Estudios Referenciados:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). Comportamiento auxético y características de absorción de energía de una estructura de celosía. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}