Una spugna degli abissi ispira un reticolo ultrarobusto per l’ingegneria

Un gruppo di ingegneri del Centre for Innovative Structures and Materials della RMIT University ha studiato la struttura di una spugna marina per progettare un reticolo resistente e leggero, con prestazioni promettenti rispetto ai tradizionali modelli a nido d’ape.

Il modello prende spunto dalla spugna di profondità chiamata «cestello di fiori di Venere». La sua geometria può contribuire a migliorare il comportamento auxetico, la rigidità e l’assorbimento dell’energia. Ecco come il nuovo reticolo potrebbe essere impiegato nell’edilizia, nei dispositivi medici e in altri settori.

Che cosa sono i materiali auxetici?

I materiali auxetici reagiscono alle sollecitazioni in modo diverso da molti materiali comuni. Quando vengono compressi, possono restringersi anche lateralmente; quando vengono tirati, possono allargarsi.
Questa proprietà può aiutare ad assorbire e distribuire l’energia degli urti. Esempi di comportamento auxetico si osservano in alcuni tessuti biologici; tra le applicazioni progettate dall’uomo vi sono particolari stent che devono adattarsi ai vasi sanguigni.

L’evoluzione dei progetti auxetici

La ricerca ha sviluppato diverse geometrie auxetiche, tra cui strutture chirali, celle a stella, elementi rigidi rotanti, combinazioni di materiali e reticoli a nido d’ape rientrante. Fra questi ultimi, la cella esagonale rientrante è una delle più studiate.

Il tradizionale nido d’ape esagonale rientrante

Questo modello, sviluppato nel 1982, si ispira alle celle dei favi. Le nervature diagonali si piegano verso l’interno sotto compressione, contribuendo a irrigidire la struttura.

In seguito sono state aggiunte altre barre per migliorarne le prestazioni. Restano però limiti legati alla flessibilità, ai costi di produzione e al comportamento meccanico.

Un nuovo reticolo bioispirato: lo studio BLS

Per affrontare questi limiti, i ricercatori della RMIT University hanno sviluppato un nuovo reticolo auxetico. Lo studio «Auxetic behavior and energy absorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge»¹, pubblicato su Composite Structures, descrive un progetto ispirato allo scheletro di una spugna di profondità e confronta le sue prestazioni con quelle del reticolo esagonale rientrante.

Il cestello di fiori di Venere: un modello naturale

La spugna marina Euplectella aspergillum, nota come cestello di fiori di Venere, possiede uno scheletro dalla geometria particolare. Elementi vetrosi chiamati spicole formano una griglia a celle quadrate.

Fonte: RMIT Centre for Innovative Structures and Materials

Una seconda rete di barre rinforza la griglia e crea una disposizione alternata simile a una scacchiera. Le celle aperte e chiuse contribuiscono alla rigidità e alla capacità di assorbire energia.

Un modello 3D del reticolo bioispirato

Per verificare le ipotesi, gli ingegneri hanno costruito un modello tridimensionale con una struttura a reticolo cubico a corpo centrato, stampata in poliuretano termoplastico. Nove celle quadrate erano disposte in una griglia 3 × 3. Ciascuna cella si deformava individualmente; nell’insieme, il materiale mostrava un comportamento auxetico.

Simulazioni per perfezionare il reticolo

I dati sperimentali sono stati usati in simulazioni al computer per valutare più rapidamente forme e geometrie differenti. Il gruppo ha registrato per ciascun modello il comportamento auxetico, la rigidità e l’assorbimento di energia.
Ha poi esaminato la disposizione e lo spessore delle barre diagonali e non diagonali, regolando le distanze tra gli elementi per migliorare le prestazioni.

Verifica sperimentale del reticolo BLS

I ricercatori hanno sottoposto i campioni stampati in 3D a prove di compressione uniaxiale quasi statica con una macchina universale Shimadzu AGS-50kNXD. Hanno documentato deformazione auxetica, rigidità e capacità di assorbimento dell’energia nei campioni BLS-0 e CAS.

I risultati delle prove

Secondo il gruppo di ricerca, a parità di materiale utilizzato il reticolo BLS è risultato 13 volte più rigido dei reticoli auxetici a nido d’ape rientrante. Ha inoltre assorbito il 10% di energia in più, mantenendo il comportamento auxetico in un intervallo di deformazione più ampio del 60%.
Questi risultati riguardano campioni stampati in 3D e prove di laboratorio; restano da verificare le prestazioni con altri materiali e in applicazioni reali.

I vantaggi del reticolo bioispirato

Una maggiore resistenza alla compressione e una maggiore rigidità potrebbero aiutare a progettare componenti più durevoli. La struttura leggera potrebbe trovare impiego in edifici, veicoli e altre applicazioni ingegneristiche, dopo ulteriori verifiche.

Il ruolo della stampa 3D

Il reticolo può essere stampato in 3D, consentendo di adattarne la geometria alle esigenze di un’applicazione. La tecnica permette anche di sperimentare altri materiali e configurazioni in modo controllato.

Possibili applicazioni del reticolo BLS

La struttura potrebbe contribuire allo sviluppo di componenti più resistenti nei settori aerospaziale, automobilistico e delle costruzioni. Tutti cercano materiali leggeri, lavorabili e capaci di sopportare sollecitazioni elevate.
Il gruppo intende proseguire lo studio di materiali auxetici che assorbano meglio l’energia e offrano maggiore rigidità strutturale.

Dove potrebbe essere usato il reticolo?

Prima di un impiego pratico serviranno ulteriori ricerche e sviluppo. Fra i possibili ambiti di applicazione figurano i seguenti.

Edilizia

Il settore delle costruzioni è uno dei principali ambiti di interesse per i ricercatori. Materiali più leggeri e resistenti potrebbero ridurre il consumo di risorse, ma la loro efficacia e i costi andranno verificati in condizioni reali.

In linea di principio, un reticolo capace di sostenere carichi usando meno materiale potrebbe contribuire a elementi strutturali più leggeri. L’alternanza di celle aperte e chiuse conferisce alla geometria il suo comportamento auxetico sotto compressione.

Architetti e ingegneri potrebbero inoltre studiare componenti capaci di assorbire vibrazioni dovute, per esempio, al vento o ai terremoti. Si tratta per ora di possibili applicazioni, non di prestazioni già dimostrate in edifici.

Dispositivi di protezione

Un altro campo da esplorare è quello delle protezioni indossabili. Se le proprietà rilevate nei campioni si confermassero nei prodotti finiti, il reticolo potrebbe aiutare a combinare peso contenuto e assorbimento degli urti in alcuni dispositivi sportivi.

Applicazioni per la difesa

La leggerezza e la rigidità del materiale potrebbero interessare anche la progettazione di equipaggiamenti protettivi, strutture mobili e veicoli. Ogni possibile impiego, compresi i dispositivi balistici, richiederebbe prove specifiche prima di poter rivendicare un livello di protezione.

Possibili applicazioni mediche

Strutture auxetiche possono essere studiate anche per dispositivi medici che devono adattarsi alle sollecitazioni, come alcuni stent. La sicurezza, la durata e l’idoneità del nuovo reticolo per un impianto non sono però dimostrate dai test meccanici descritti qui e richiederebbero studi dedicati.

Veicoli

Nel settore automobilistico, una struttura leggera e resistente potrebbe essere valutata per alcuni componenti del telaio o per l’assorbimento delle vibrazioni. Prima di sostituire materiali già in uso, occorrerebbe verificare costi, durata e sicurezza su scala industriale.

Il gruppo di ricerca

Lo studio è stato condotto presso il Centre for Innovative Structures and Materials della RMIT University. Tra i ricercatori figurano Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie e Ngoc San Ha.
Il gruppo intende sperimentare altri materiali, tra cui l’acciaio, e combinare componenti con proprietà diverse per valutare ulteriori miglioramenti.

Il settore dei materiali avanzati

Le aziende che producono materiali compositi potrebbero seguire gli sviluppi dei reticoli bioispirati. Una società attiva in questo settore è Hexcel, specializzata in materiali a nido d’ape e compositi avanzati.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) è stata fondata nel 1948 e ha sede nel Connecticut. Produce materiali a nido d’ape e altri compositi per diversi settori industriali.

Nel corso della sua storia, l’azienda ha lavorato a materiali a nido d’ape per applicazioni aerospaziali e ha ampliato le proprie attività con acquisizioni, tra cui California Reinforced Plastics e Ciba Composites.

Nel 1995 ha acquisito la divisione compositi di Hercules. Hexcel è oggi un fornitore di materiali compositi avanzati per applicazioni aerospaziali e industriali.

La società detiene brevetti e investe nello sviluppo di materiali che puntano a migliorare la resistenza delle strutture, ridurre il peso e semplificare la produzione.

Nel 2024 Hexcel ha dichiarato ricavi per circa 1,90 miliardi di dollari. Chi valuta il titolo HXL dovrebbe consultare i dati finanziari aggiornati e considerare rischi, valutazione e concorrenza, oltre alle prospettive tecnologiche.

Ultime Notizie su Hexcel Corp.

Il futuro dei reticoli bioispirati

Le strutture a reticolo ispirate alla natura potrebbero contribuire a rendere più leggeri alcuni componenti e a migliorare l’assorbimento degli urti. Per passare dai campioni di laboratorio ai prodotti occorrono però ulteriori prove, nuovi processi di produzione e verifiche di sicurezza.

Anche i progressi della stampa 3D potrebbero facilitare la progettazione di strutture auxetiche. Per ora, lo studio mostra come la geometria di una spugna marina possa suggerire nuove soluzioni ingegneristiche.

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Studi di Riferimento:

^{1. Ma, J., Zhang, H., Lee, T.-U., Lu, H., Xie, Y. M., & Ha, N. S. (2025). Auxetic behavior and energy absorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge. Composite Structures, 354, 118835. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}