Ciencia de materiales
Reimaginando la Aero y la Dinámica de Fluidos a través de la Esponja de Vidrio Venus Flower Basket
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Las esponjas de vidrio, comúnmente encontradas en el océano profundo, pertenecen a la clase Hexacitinellida. Derivan su nombre de sus tejidos, que comprenden partículas estructurales similares al vidrio hechas de sílice.
El esqueleto de las esponjas de vidrio es un mecanismo evolutivo que les ayuda a combatir depredadores de las profundidades del mar al combinarse de forma inherente y orgánica con varios químicos.
Indudablemente sofisticadas, las esponjas de vidrio se sustentan aferrándose a superficies duras y consumiendo pequeñas bacterias y plancton filtrado del agua circundante.
Algunas especies pueden crear espículas significativamente grandes que forman una casa de vidrio al fusionarse en hermosos patrones. Estas estructuras esqueléticas a menudo divierten a los científicos, ya que permanecen vivas incluso después de que la esponja ha muerto, y varios animales de las profundidades del mar utilizan estas estructuras como sus hogares.
La Esponja de Vidrio Más Conocida
Entre todas las esponjas de vidrio que habitan en las profundidades, la Venus Flower Basket, una especie de Euplectella, es particularmente conocida. Ha evolucionado lo suficiente para que su esqueleto atrape a una determinada especie de crustáceo dentro de ella de por vida. Estos crustáceos se reproducen, y sus crías buscan nuevas cestas de flores propias. Típicamente, estas esponjas sirven como hogares de por vida para dos pequeños Stenopodidea, similares a camarones, un macho y una hembra.
Esta característica de funcionar como vivienda natural para criaturas de las profundidades siempre ha hecho que la esponja de vidrio Venus Flower Basket sea un animal de gran curiosidad. Esta curiosidad ha llevado ahora a los investigadores a descubrir otra característica notable de estos animales: su capacidad de alimentarse filtrando sin bombear.
Control de Flujo ‘Cero Energía’ Natural por la Esponja Venus Flower Basket
Una de las hazañas asombrosas que estos antiguos animales poseen es su capacidad de alimentarse filtrando sin bombear, basándose únicamente en la débil corriente ambiental de las profundidades oceánicas. Pero, ¿cómo es posible? Eso es lo que un equipo de investigadores de la Universidad de Roma Tor Vergata y la NYU Tandon School of Engineering ha investigado. Utilizando simulaciones por computadora de altísima resolución, analizaron la estructura esquelética de la Esponja Venus Flower Basket. Los hallazgos fueron, por decirlo suavemente, asombrosos. Además, tenía un potencial asombroso para una variedad de aplicaciones de ingeniería.
Al explicar la naturaleza revolucionaria del experimento, Maurizio Porfiri, profesor del Instituto NYU Tandon y director de su Center for Urban Science + Progress (CUSP), quien co-dirigió el estudio y co-supervisó la investigación, dijo:
“Nuestra investigación resuelve un debate que ha surgido en los últimos años: la esponja Venus Flower Basket puede ser capaz de captar nutrientes de forma pasiva, sin ningún mecanismo de bombeo activo. Es una adaptación increíble que permite a este filtrador prosperar en corrientes normalmente inadecuadas para la alimentación por suspensión.”
Esencialmente, estos animales esponja de vidrio utilizan su única estructura esquelética para desviar las corrientes ultra‑lentas del fondo marino, dirigiendo el flujo hacia arriba dentro de su cavidad corporal central. Este mecanismo filtra el plancton y otros detritos marinos del agua de mar, que las esponjas utilizan como alimento. La superficie exterior espiralada y acanalada de la estructura esquelética de la esponja funciona como una escalera de caracol, atrayendo el agua hacia arriba a través de su marco poroso y tipo rejilla sin necesidad de energía de bombeo.
La cualidad más notable de la esponja de vidrio es su ventilación natural, que funciona perfectamente en la casi inmovilidad de los fondos oceánicos profundos. Esto es cómo estas especies de aguas profundas han evolucionado, adaptándose al entorno hostil y captando pasivamente alimento con una corriente extremadamente lenta.
Según Giacomo Falcucci de la Universidad Tor Vergata de Roma:
“La esponja ha llegado a una solución elegante para maximizar el suministro de nutrientes mientras opera completamente a través de mecanismos pasivos.”
Alcanzar estos asombrosos conocimientos no fue fácil. Tomó varios años que los investigadores construyeran instalaciones adecuadas que pudieran comprender el fenómeno en sus mínimos detalles.
Las Instalaciones que Ayudaron a la Investigación a Alcanzar su Objetivo
Los investigadores utilizaron la supercomputadora Leonardo en CINECA, un consorcio sin ánimo de lucro que alberga el mayor centro de cómputo de Italia y uno de los más importantes a nivel mundial.
Esta poderosa supercomputadora ayudó a los investigadores a desarrollar una réplica 3D realista de la esponja, con cien mil millones de puntos individuales recreando la intrincada estructura helicoidal de sus crestas. El inmenso poder de cálculo de Leonardo hizo posible realizar cuatrillones de cálculos por segundo, simulando una amplia gama de velocidades y condiciones de flujo de agua.
Según los investigadores involucrados, los resultados del estudio pueden conducir a muchas soluciones de ingeniería innovadoras. A continuación, resumimos un par de esas ideas innovadoras.
El Potencial de Aplicación en la Vida Real de la Investigación
El precursor de esta investigación que estamos discutiendo es un estudio de 2021 realizado por el mismo equipo. En esa investigación, el equipo analizó específicamente cómo la esponja Venus Flower Basket podría mejorar estructuras hechas por el hombre. El equipo creía que su investigación sobre el papel de la geometría de la esponja en la respuesta al flujo de fluidos tenía muchas implicaciones para el diseño de edificios de gran altura y estructuras mecánicas de gran variedad, incluidos rascacielos, estructuras novedosas de bajo arrastre para barcos e incluso fuselajes de aviones.
Según Giacomo Falcucci de la Universidad Tor Vergata de Roma, el experimento de 2021 sobre la esponja de vidrio ayudó a responder preguntas como:
“¿Habrá menos arrastre aerodinámico en los edificios de gran altura construidos con una malla similar de crestas y agujeros? ¿Optimizará la distribución de las fuerzas aplicadas?”
La investigación actual, que profundiza en los aspectos de ingeniería biométrica de la esponja de vidrio, podría ayudar a diseñar reactores más eficientes con patrones de flujo optimizados y arrastre externo minimizado.
Seguir los principios de ingeniería interna de las superficies acanaladas y porosas de la esponja de vidrio podría aumentar la filtración de aire y los sistemas de ventilación en rascacielos y otras estructuras. Las crestas helicoidales asimétricas, por ejemplo, podrían inspirar cascos o fuselajes de bajo arrastre que se mantengan aerodinámicos mientras promueven el flujo de aire interior.
De 2021 a 2024, la investigación sobre las esponjas Venus Flower Basket continuó, descubriendo continuamente cómo esta maravilla de bioingeniería podría inspirar más aplicaciones en la vida real.
Aprovechar la naturaleza como inspiración de diseño para sus productos ha ayudado a muchas empresas a mejorar la eficiencia e introducir optimizaciones.
#1. Coches Biónicos de Mercedes Benz
En marzo de 2024, Mercedes Benz, mientras explicaba la filosofía de diseño detrás de uno de sus últimos modelos, Vision EQXX, dijo lo siguiente:
“En lo que respecta a la construcción ligera, la naturaleza sigue siendo el mejor modelo a seguir: desde los peces caja hasta la charrán ártico, muchos animales han evolucionado formas corporales óptimas y otras capacidades que les permiten recorrer sus rutas migratorias con un gasto mínimo de energía. La máxima eficiencia también fue el principio rector del programa tecnológico que produjo el VISION EQXX, por lo que partes de la estructura del chasis están basadas en formas naturales y principios de diseño biónico.”
La compañía ha llamado a su filosofía de uso de materiales bio‑inspirados el proceso Bionicast. Este enfoque aboga por usar material solo donde los caminos de carga son necesarios. Como resultado, los elementos biónicos poseen un grosor de pared y aberturas que varían constantemente y se asemejan a un esqueleto.
La empresa cree que la filosofía de diseño bio‑inspirado ha dado como resultado un producto altamente funcional y compacto, con una reducción de peso significativa. Por ejemplo, los diseños biónicos en el piso trasero del coche han ahorrado entre un 15‑20 % de peso y material. El soporte del motor del limpiaparabrisas también tiene una ventaja de peso del 20 %.
El coche Biónico de Mercedes‑Benz, conocido por su excelente aerodinámica, debutó en junio de 2005 en Washington, DC. Desde entonces, ha continuado evolucionando, manteniendo su relevancia y prominencia dentro de la comunidad automotriz. El proceso de desarrollo innovador de BIONICAST ganó el Premio de Diseño + Tecnología de Materiales 2022 en la categoría ‘Mejor de Proceso’. Para 2039, apoyado por los principios de consumo reducido de recursos y el potencial de construcción ligera del Bionicast, Mercedes Benz aspira a lograr el objetivo general de neutralidad de carbono neta a lo largo de toda su cadena de valor en su flota de nuevos vehículos.
En 2023, Mercedes Benz informó ingresos de 153,2 mil millones de euros, un aumento de 3,2 mil millones de euros respecto a los 150 mil millones de euros de ingresos en 2022. La compañía registró un EBIT de 19,7 mil millones de euros, y su BPA se situó en 13,46 euros.
#2. Biohm
Biohm, una empresa de investigación y desarrollo multi‑premiada, cree en la filosofía de ‘permitir que la naturaleza guíe la innovación’. Como misión, la compañía ha estado ‘armonizando sistemas culturales y naturales mediante la concesión responsable de licencias de biotecnologías innovadoras y escalables.’
Una de las tecnologías emblemáticas de Biohm aprovecha el poder del micelio — la estructura filamentosa vegetativa de los hongos. La compañía utiliza esta tecnología para producir soluciones de alto impacto y alto rendimiento en el desarrollo de componentes sofisticados como composites particulados, composites reforzados con fibra, materiales monolíticos y materiales monolíticos tipo polímero. Estos son adecuados para su uso en áreas de construcción, productos de consumo o venta al por menor, empaques especializados, interiores, piezas de mobiliario y moda.
(MBG.DE )A través de su tecnología ‘Orb’, Biohm convierte algunos de los ‘flujos de desechos’ de más rápido crecimiento — residuos alimentarios y agrícolas — en productos valiosos y funcionales de alto rendimiento. Estos productos pueden formarse en láminas y moldearse en formas 3‑D intrincadas y productos impresos en 3‑D.
Además, Biohm ofrece un sistema de construcción prefabricado que no requiere aglutinantes o fijaciones permanentes, creando estructuras robustas y de alta calidad. Inspirado en la geometría matemática de los enlaces moleculares del carbono, este sistema puede reducir el impacto ambiental, el costo y el tiempo de construcción de un edificio en un 120 %, 70 % y 95 %, respectivamente.
En uno de sus esfuerzos de biorremediación revolucionarios, Biohm, en colaboración con Waitrose & Partners y Power To Change, desarrolló cuatro cepas de micelio que pueden consumir plásticos, incluidos poliuretano (PU), polietileno (PE), poliestireno (PS) y poliéster (PET). Aprovechando esta tecnología centrada en el micelio, los plásticos pueden descomponerse en azúcares, hidrocarburos benignos y dióxido de carbono. El micelio consume los azúcares y los hidrocarburos, mientras que el dióxido de carbono se transforma en oxígeno mediante organismos fotosintéticos.
Según estimaciones de la industria, la la compañía ha logrado recaudar financiación de 1,73 millones de dólares estadounidenses hasta la fecha.
El Futuro de la Aero y Dinámica de Fluidos Bio‑inspirada
Reimaginar la aero y la dinámica de fluidos tomando inspiración de la naturaleza ha motivado a investigadores de todo el mundo. En el Laboratorio de Vuelo Bio‑inspirado de la Universidad de Bristol, dirigido por el Dr. Shane Windsor, por ejemplo, los investigadores investigaron una variedad de aspectos de detección y control del vuelo animal y cómo podrían mejorar las tecnologías de ingeniería, especialmente el funcionamiento de vehículos aéreos no tripulados (UAV) a pequeña escala.
Una de las marcas más grandes del mundo, Lockheed Martin (LMT ), ha tomado inspiración para su Skunk Works de los escarabajos Hércules de los trópicos de Centro y Sudamérica para oscurecer u iluminar orgánicamente y coincidir con el tono cambiante diario de la selva circundante. Los investigadores de Skunk Works creen que imitar esta propiedad podría mejorar la fabricación de piezas compuestas de aviones mediante el desarrollo de sensores atribuidos capaces de alertar a los técnicos cuando una estructura compleja alcanza el nivel de humedad adecuado para pasar al siguiente paso del proceso de fabricación.
Según Thomas Koonce, responsable del Portafolio de Tecnologías Revolucionarias de Skunk Works, “Los sensores de cambio de color serían una forma rápida, económica y fiable de determinar si las condiciones son correctas para la fabricación.” Koonce lo califica como una ‘solución de bajo costo y poca mano de obra’.
En el Centro de Investigación Glenn de la NASA en Ohio, los bigotes de las focas de puerto han inspirado al investigador Vikram Shyam a diseñar palas de turbina de bajo arrastre para el Proyecto de Tecnología Avanzada de Transporte Aéreo, que busca desarrollar una eficiencia energética revolucionaria para aviones de ala fija.
De manera similar, Isaiah Blankson, tecnólogo senior del Centro de Investigación Glenn de la NASA en Ohio, se ha inspirado en la precisión acrobática de los pingüinos nadadores para desarrollar el programa de Demostración de Vuelo de Bajo Boom que intenta disminuir los estallidos sónicos mediante el modelado aerodinámico.
Tomar inspiración de la naturaleza ha ayudado enormemente a los humanos a mejorar sus soluciones aero y de dinámica de fluidos. La sabiduría de la naturaleza y los reinos animales, perfeccionada durante cientos de miles de años de prácticas evolutivas y tácticas de supervivencia, ofrece una gran cantidad de conocimientos para mejores soluciones de ingeniería que sean eficientes, de bajo costo y sostenibles.
Haga clic aquí para aprender cómo la robótica está tomando inspiración de la naturaleza.
