Esponja do Mar Profundo Inspira Estrutura de Rede Superforte para Engenharia

Uma equipe de engenheiros do Centro de Estruturas e Materiais Inovadores da RMIT utilizou a biomimética para desenvolver uma estrutura de rede superforte que oferece desempenho aprimorado em comparação com as opções tradicionais baseadas em favo de mel.

Inspired by the deep-sea sponge, Venus’ flower basket, the design leverages millions of years of evolution to optimize auxeticity, stiffness, and energy absorption. Here’s how this ultra-strong lattice structure could be the key to unlocking next-generation buildings, medical procedures, and much more.

Entendendo Materiais Auxéticos

Para compreender a importância desse desenvolvimento, é vital entender o papel crucial que os materiais auxéticos desempenham tanto em aplicações naturais quanto artificiais. Esses materiais diferem dos itens tradicionais que se achatam quando comprimidos ou se alongam quando esticados.
Em vez disso, os materiais auxéticos exibem contração lateral sob compressão. Essa característica os torna ideais para aplicações onde é necessário absorver e distribuir energia de impacto de forma eficaz. Notavelmente, existem versões naturais de materiais auxéticos, como os tendões musculares, e exemplos artificiais, como stents cardíacos que precisam se ajustar às demandas de pressão vascular.

A Evolução dos Designs Auxéticos

Ao longo dos anos, muito P&D foi direcionado ao desenvolvimento dos materiais auxéticos mais eficazes. Alguns designs atuais incluem estruturas quirais, favos de mel em forma de estrela, estruturas de corpos rígidos rotativos, auxéticos multimateriais e favos de mel reentrantes. Dentre essas opções, os favos de mel hexagonais reentrantes são os mais proeminentes.

O Favo de Mel Hexagonal Reentrante: Uma Abordagem Tradicional

O design do favo de mel hexagonal reentrante foi bioinspirado nos favos de mel encontrados nas colmeias. Foi desenvolvido em 1982 e apresenta nervuras diagonais que se deslocam para dentro sob compressão, reforçando o design.

Desde então, o design foi aprimorado com suportes adicionais para melhorar o desempenho. No entanto, ainda existem muitas desvantagens na configuração de favo de mel em termos de flexibilidade, custos de produção e desempenho geral.

Avançando nas Estruturas de Rede: O Estudo BLS

Reconhecendo as limitações neste campo emergente, uma equipe de pesquisadores da Universidade RMIT desenvolveu um design auxético proprietário que pode superar seus predecessores em todos os aspectos. O relatório “Comportamento auxético e características de absorção de energia de uma estrutura de rede inspirada em esponja de águas profundas“¹ publicado em Composite Structures destaca como o novo design foi inspirado na estrutura esquelética de uma esponja profunda e é capaz de superar os favos de mel hexagonais reentrantes em 13 vezes.

O Cesto de Flores de Vênus: Projeto da Natureza

A esponja de águas profundas Euplectella Aspergillum, coletivamente chamada cesto de flores de Vênus, possui uma das estruturas esqueléticas mais duráveis e únicas da natureza. A esponja apresenta uma estrutura esquelética em forma de grade composta por elementos vítreos chamados espículas que formam uma grade quadrada.

A grade é reforçada por suportes de dupla rede que conferem à estrutura uma aparência de tabuleiro de xadrez com quadrados alternados preenchidos. Essas células abertas e fechadas proporcionam ao organismo propriedades mecânicas únicas, incluindo rigidez incomparável e absorção de energia de alto desempenho.

Construindo um Modelo 3D da Estrutura de Rede Bioinspirada

Os engenheiros construíram um modelo 3D para demonstrar suas descobertas e testar suas teorias. Sua estrutura de rede cúbica centrada no corpo foi impressa em poliuretano termoplástico. Incluiu nove células quadradas organizadas em uma grade 3 × 3. Notavelmente, a equipe observou que, isoladamente, cada rede demonstrava comportamento de deformação. Contudo, quando combinadas, o material exibiu ações auxéticas.

Simulações Computacionais: Refinando o Design BLS

O próximo passo foi utilizar os dados dos testes para criar simulações computacionais. Essa abordagem permite que os engenheiros aumentem sua taxa de teste e experimentem formas e designs mais exóticos em mais testes. Eles usaram simulações para avaliar a influência de variações geométricas.
Os dados de cada material, incluindo seu comportamento auxético, rigidez e capacidades de absorção de energia, foram documentados. Além disso, a equipe analisou o impacto de parâmetros estruturais como o arranjo e a espessura das barras não diagonais e duplas diagonais. Em seguida, a equipe ajustou finamente o espaçamento entre as barras duplas diagonais para alcançar desempenho ótimo.

Testando o BLS: Verificação Experimental

Os pesquisadores testaram seu novo design de rede de várias maneiras. Especificamente, um testador universal Shimadzu AGS-50kNXD foi utilizado para conduzir testes de compressão uniaxial quase‑estática nas unidades BLS-0 e CAS impressas em 3D. Os engenheiros documentaram sistematicamente todos os aspectos essenciais do material, incluindo comportamento auxético, rigidez e propriedades de absorção de energia.

Resultados de Teste Impressionantes

Os testes produziram resultados impressionantes. Segundo os engenheiros, o BLS superou as opções hexagonais reentrantes em todos os aspectos. Em termos de compressão, superou o design original em 13%. Além disso, absorveu 10% mais energia em uma faixa de deformação 60% maior.
O BLS apresentou quase o dobro da rigidez dos designs de tubos tradicionais. Além disso, foi 3 vezes mais forte e demonstrou 4 vezes mais robustez quando comparado aos seus predecessores de favo de mel reentrante. Esse desempenho mecânico aprimorado provém de um design mais leve que utiliza muito menos material que as alternativas.

Principais Benefícios da Estrutura de Rede Bioinspirada

Existem muitos benefícios que tornam a descoberta do BLS digna de nota. Primeiro, ela oferece aos engenheiros um novo nível de resistência à compressão e rigidez que possibilita a criação de itens mais duráveis. De casas a carros, esse design mais leve pode melhorar a robustez de muitos objetos cotidianos, assim como de alguns dos projetos mais avançados atualmente.

O Papel da Impressão 3D na Fabricação do BLS

Outro benefício importante desse design é que ele pode ser impresso em 3D. Essa abordagem permite que os engenheiros personalizem o layout para atender a quase qualquer requisito de aplicação. Além disso, oferece a oportunidade de experimentar outros materiais de forma controlada e fácil de integrar, impulsionando mais inovação.

Aplicações Reais Potenciais do BLS

Esse material bioinspirado pode levar ao desenvolvimento de estruturas mais fortes e resilientes em indústrias como aeroespacial, automotiva e engenharia civil. Todos esses setores buscam constantemente materiais que sejam mais leves, mais fáceis de trabalhar e que apresentem maior resistência e rigidez.
Agora, essa equipe de pesquisadores inovadores busca inspirar uma nova classe de materiais auxéticos, oferecendo propriedades mecânicas superiores, como absorção de energia aprimorada e rigidez estrutural.

Aplicações de Engenharia: O Que Vem a Seguir?

Muitos analistas preveem que aplicações podem surgir nos próximos 5 a 10 anos, dependendo de pesquisas e desenvolvimentos adicionais. Aqui estão apenas algumas das aplicações potenciais dessa tecnologia.

Construção

De acordo com os engenheiros, o setor de construção será seu foco principal. Materiais de construção são caros, com preços aumentando drasticamente nos últimos anos. Esse desenvolvimento pode revolucionar o setor de várias maneiras.

Primeiro, permitiria que construtores criassem estruturas mais fortes que utilizam menos material. Imagine essa rede substituindo a armação de aço da sua casa ou as vigas de um edifício. O layout de tabuleiro aberto e fechado e o material oferecem comportamento auxético sob compressão a partir de uma estrutura leve.

Além disso, arquitetos e engenheiros poderiam criar edifícios mais resilientes. Imagine um arranha‑celos projetado para reduzir vibrações durante um terremoto ou para se tornar mais rígido de maneira específica quando o vento sopra sobre ele. Dessa forma, o BLS poderia aprimorar as capacidades de engenharia estrutural em todo o mercado.

Equipamento de Proteção

Outra área de interesse para o BLS é a indústria de equipamentos de proteção. Esse material tornará os equipamentos de proteção pessoais mais leves e mais resilientes. O design em rede garantirá que o equipamento leve suporte as condições e impactos mais severos, abrindo caminho para um novo nível de segurança em muitos dos esportes mais perigosos de hoje.

Militar

Existem várias aplicações militares para este material. Imagine coletes à prova de balas leves e ultrafinos de próxima geração. Engenheiros poderiam criar itens como pontes temporárias com mais facilidade, melhorando tanto sua montagem quanto transporte. Além disso, poderia desempenhar um papel na criação de veículos de próxima geração e outros equipamentos que exigem rigidez aprimorada, mas precisam atender a restrições de peso rigorosas.
Pense em drones que podem voar mais longe e suportar mais danos, ou capacetes que podem resistir a impactos diretos de calibres altos sem se fragmentar. Tudo isso e muito mais é possível ao utilizar a tecnologia BLS.

Aplicações Médicas

O campo médico poderia usar essa tecnologia para melhorar diversos procedimentos. Por exemplo, implantes projetados para manter as artérias abertas precisam ser capazes de ajustar-se sob pressão extrema e durar sem degradar por anos. O novo design de rede oferece mais durabilidade e rigidez quando necessário, impedindo o fechamento das artérias e salvando vidas.

Automotivo

Existem muitas maneiras diferentes pelas quais essa tecnologia pode tornar seu próximo veículo mais seguro e eficiente. Primeiro, o design de tubo atualizado poderia substituir a estrutura de aço atualmente usada por muitos fabricantes. Esse novo design reduziria os custos de fabricação e melhoraria a resistência e durabilidade.
Além disso, essa tecnologia poderia ser usada para tornar sua condução muito mais suave. Visualize amortecedores e outras estruturas de amortecimento de vibrações criadas com esses materiais. Esses designs poderiam proporcionar mais conforto sem acrescentar peso ao seu próximo veículo elétrico.

Pesquisadores da Estrutura de Rede Bioinspirada (BLS)

O Centro de Estruturas e Materiais Inovadores da RMIT liderou o estudo, que incluiu Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie e Ngoc San Ha como pesquisadores. Agora, essa equipe planeja aprofundar o uso de outros materiais, como o aço, para testar sua criação.
A equipe também demonstrou interesse em utilizar uma combinação de materiais com base em suas propriedades únicas para tentar melhorar ainda mais o desempenho. Esses experimentos incluirão a fabricação das vigas e quadrados com diferentes materiais que podem interagir.

Investindo no Setor de Ciência dos Materiais

O setor de ciência dos materiais possui vários fabricantes líderes que continuam a levar a tecnologia a novos patamares. Esse desenvolvimento mais recente demonstra o ritmo com que a inovação ocorre no mercado. Aqui está uma empresa inovadora que está bem posicionada para integrar quaisquer avanços em ciência dos materiais para melhorar seus retornos sobre investimento e linha de produtos.

Hexcel Corporation

A Hexcel Corporation (HXL ) iniciou suas atividades em 1948 e está sediada em Connecticut. Esse fabricante dos EUA especializa‑se em materiais com design de favo de mel. Desde sua fundação, a Hexcel tem alcançado grande sucesso.
Curiosamente, um dos primeiros grandes contratos governamentais da empresa foi desenvolver materiais de favo de mel de nova geração para uso em domos de radar em aeronaves militares durante a Segunda Guerra Mundial. Após o fim da guerra, a empresa adquiriu a California Reinforced Plastics e a Ciba Composites.
Em 1995, adquiriu a divisão Hercules Composites Products. Hoje, é reconhecida como uma inovadora líder no campo de materiais compósitos avançados para aplicações aeroespaciais e industriais. A empresa ficou famosa por ajudar a projetar e fabricar a cápsula de reentrada da Apollo 11 em 1968.

A Hexcel detém várias patentes sobre sua pesquisa e continua a investir no desenvolvimento de materiais de próxima geração que aprimoram a integridade estrutural, reduzem o peso e oferecem opções de fabricação mais fáceis.
Atualmente, a Hexcel possui 5.894 funcionários e registrou US$ 1,90 bilhão em receita em 2024. Sua ação é considerada um forte “Compra” pela maioria dos analistas, já que a empresa continua a garantir contratos governamentais e apoio a tecnologias de próxima geração. Esses fatores, combinados com a história e o posicionamento da empresa, tornam o HXL uma adição inteligente a qualquer portfólio.

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O Futuro das Estruturas de Rede Bioinspiradas

Ao examinar os benefícios que as estruturas de rede bioinspiradas trazem ao mercado, fica fácil perceber que elas um dia desempenharão um papel vital em tornar eletrônicos mais leves, equipamentos de proteção mais seguros e seu futuro veículo mais robusto.

Além disso, os avanços na impressão 3D tornarão ainda mais fácil para os engenheiros modelar e criar estruturas e materiais auxéticos de ultra‑desempenho. Por enquanto, essa equipe merece reconhecimento por esclarecer como os materiais auxéticos funcionam e como a evolução ajudou a melhorar seu design.

Saiba mais sobre outras descobertas em ciência dos materiais agora.

Estudos Referenciados:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). Comportamento auxético e características de absorção de energia de uma estrutura de rede. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}