Reimaginando a Aerodinâmica e a Dinâmica dos Fluidos através da Esponja de Vidro Venus Flower Basket

Esponjas de vidro, comumente encontradas nas profundezas do oceano, pertencem à classe Hexacitinellida. Elas recebem seu nome de seus tecidos, que compreendem partículas estruturais semelhantes a vidro feitas de sílica. 

O esqueleto das esponjas de vidro é um mecanismo evolutivo que as ajuda a combater predadores das profundezas ao combinar-se de forma inerente e orgânica com vários químicos. 

Indubitavelmente sofisticadas, as esponjas de vidro sustentam-se aderindo a superfícies duras e consumindo pequenas bactérias e plâncton filtrados da água ao redor. 

Algumas espécies podem criar espículas significativamente grandes que formam uma casa de vidro ao se fundirem em padrões belos. Essas estruturas esqueléticas frequentemente divertem os cientistas, pois permanecem intactas mesmo após a morte da esponja, e vários animais das profundezas utilizam essas estruturas como seus habitats!

A Esponja de Vidro Mais Conhecida

Entre todas as esponjas de vidro que habitam as profundezas, a Venus Flower Basket, uma espécie de Euplectella, é particularmente conhecida. Ela evoluiu a ponto de seu esqueleto aprisionar uma certa espécie de crustáceo para a vida inteira. Esses crustáceos se reproduzem, e sua prole busca novos cestos de flores próprios. Normalmente, essas esponjas servem como lares vitalícios para dois pequenos Stenopodidea, semelhantes a camarões, um macho e uma fêmea. 

Essa característica de funcionar como moradia natural para criaturas das profundezas sempre despertou curiosidade sobre a esponja de vidro Venus Flower Basket. Essa curiosidade levou os pesquisadores a descobrir outra característica notável desses animais: sua capacidade de filtrar alimento sem bombear.

Controle de Fluxo ‘Zero Energia’ Natural pela Esponja Venus Flower Basket

Um dos feitos incríveis que esses animais ancestrais possuem é a capacidade de filtrar alimento sem bombear, confiando apenas na fraca corrente ambiente das profundezas oceânicas. Mas como isso é possível? Foi isso que uma equipe de pesquisadores da Universidade de Roma Tor Vergata e da NYU Tandon School of Engineering investigou. Usando simulações computacionais de altíssima resolução, eles analisaram a estrutura esquelética da Esponja Venus Flower Basket. Os resultados foram, para dizer o mínimo, impressionantes. Além disso, isso tem um potencial impressionante para uma série de aplicações de engenharia. 

Ao explicar a natureza inovadora do experimento, Maurizio Porfiri, professor do NYU Tandon Institute e diretor do Center for Urban Science + Progress (CUSP), que co-liderou o estudo e co-supervisionou a pesquisa, disse::

Nossa pesquisa resolve um debate que surgiu nos últimos anos: a esponja Venus Flower Basket pode captar nutrientes passivamente, sem nenhum mecanismo de bombeamento ativo. É uma adaptação incrível que permite que esse filtrador prospere em correntes normalmente inadequadas para a alimentação por suspensão.

Essencialmente, esses animais esponja de vidro utilizam sua estrutura esquelética única para desviar as correntes ultra-lentas das profundezas, direcionando o fluxo para cima até a cavidade central do corpo. Esse mecanismo filtra plâncton e outros detritos marinhos da água do mar, que as esponjas utilizam como alimento. A superfície externa espiralada e com cristas funciona como uma escada em espiral, puxando a água para cima através de sua estrutura porosa e em forma de treliça, sem necessidade de energia de bombeamento.

A qualidade mais notável da esponja de vidro é sua ventilação natural, que funciona perfeitamente na quase imobilidade dos fundos oceânicos profundos. Isso é como essas espécies das profundezas evoluíram, adaptando-se ao ambiente hostil e captando alimento passivamente em uma corrente extremamente lenta. 

De acordo com Giacomo Falcucci, da Universidade Tor Vergata de Roma:

A esponja chegou a uma solução elegante para maximizar o suprimento de nutrientes enquanto opera totalmente por mecanismos passivos.

Alcançar esses insights incríveis não foi fácil. Os pesquisadores levaram vários anos para construir instalações adequadas que pudessem compreender o fenômeno em seus menores detalhes.

As Instalações que Ajudaram a Pesquisa a Alcançar seu Objetivo 

Os pesquisadores utilizaram o supercomputador Leonardo no CINECA, um consórcio sem fins lucrativos que hospeda o maior centro de computação da Itália e um dos mais importantes do mundo. 

Esse poderoso supercomputador ajudou os pesquisadores a desenvolver uma réplica 3D realista da esponja, com cem bilhões de pontos individuais recriando a intrincada estrutura de cristas helicoidais da esponja. O imenso poder de computação do Leonardo possibilitou a realização de quadrilhões de cálculos por segundo, simulando uma ampla gama de velocidades e condições de fluxo de água.

De acordo com os pesquisadores envolvidos, os resultados do estudo podem levar a muitas soluções de engenharia inovadoras. A seguir, resumimos algumas dessas ideias inovadoras. 

Clique aqui para aprender como é possível manipular a luz com a ajuda de leafhoppers.

O Potencial de Aplicação na Vida Real da Pesquisa

O precursor desta pesquisa que estamos discutindo é um estudo de 2021 conduzido pela mesma equipe. Nessa pesquisa, a equipe analisou especificamente como a esponja Venus Flower Basket poderia melhorar estruturas artificiais. A equipe acreditava que sua investigação do papel da geometria da esponja na resposta ao fluxo de fluidos tinha muitas implicações para o design de edifícios altos e estruturas mecânicas de grande variedade, incluindo arranha-céus, estruturas de baixa resistência ao arrasto para navios e até fuselagens de aviões.

De acordo com Giacomo Falcucci, da Universidade Tor Vergata de Roma, o experimento de 2021 sobre a esponja de vidro ajudou a responder perguntas como:

Haverá menos arrasto aerodinâmico em edifícios altos construídos com uma estrutura semelhante de cristas e furos? Isso otimizará a distribuição das forças aplicadas?

A pesquisa atual, que aprofunda os aspectos de engenharia biométrica da esponja de vidro, pode ajudar a projetar reatores mais eficientes com padrões de fluxo otimizados e arrasto externo minimizado. 

Seguir os princípios de engenharia interna das superfícies cravadas e porosas da esponja de vidro poderia aumentar os sistemas de filtragem de ar e ventilação em arranha-céus e outras estruturas. As cristas helicoidais assimétricas, por exemplo, podem inspirar cascos ou fuselagens de baixa resistência ao arrasto que permanecerão aerodinâmicos enquanto promovem o fluxo de ar interno. 

De 2021 a 2024, a pesquisa sobre as esponjas Venus Flower Basket continuou, revelando continuamente como essa maravilha da bioengenharia poderia inspirar mais aplicações na vida real. 

Aproveitar a natureza como inspiração de design para seus produtos ajudou muitas empresas a melhorar a eficiência e introduzir otimizações. 

#1. Carros Biónicos da Mercedes Benz

Em março de 2024, a Mercedes Benz, enquanto explicava a filosofia de design por trás de um de seus últimos modelos, Vision EQXX, disse o seguinte::

Quando se trata de construção leve, a natureza ainda é o melhor modelo a ser seguido: de peixes caixa ao águia-do-ártico – muitos animais evoluíram formas corporais ótimas e outras capacidades que lhes permitem percorrer rotas migratórias com gasto mínimo de energia. A máxima eficiência também foi o princípio orientador por trás do programa tecnológico que produziu o VISION EQXX – razão pela qual partes da estrutura do chassi são baseadas em formas naturais e princípios de design biónico.

A empresa nomeou sua filosofia de uso de materiais bioinspirados como processo Bionicast. Essa abordagem defende o uso de material apenas onde os caminhos de carga são necessários. Como resultado, os elementos biónicos apresentam espessura de parede e aberturas que variam constantemente, assemelhando-se a um esqueleto.

A empresa acredita que a filosofia de design bioinspirado resultou em um produto altamente funcional e compacto, com peso significativamente reduzido. Por exemplo, os designs biónicos no piso traseiro do carro economizaram entre 15% e 20% de peso e material. O suporte do motor do limpador também tem uma vantagem de 20% de peso.

O carro Bionic da Mercedes-Benz (MBG.DE ), conhecido por sua excelente aerodinâmica, estreou em junho de 2005 em Washington, DC. Desde então, tem continuado a evoluir, mantendo sua relevância e destaque na comunidade automotiva. O processo inovador de desenvolvimento do BIONICAST ganhou o Prêmio de Design + Tecnologia de Material de 2022 na categoria ‘Best of Process’. Até 2039, com o auxílio dos princípios de consumo reduzido de recursos e do potencial de construção leve do Bionicast, a Mercedes Benz pretende alcançar o objetivo geral de neutralidade de carbono ao longo de toda a sua cadeia de valor em sua frota de novos veículos.

Em 2023, Mercedes Benz reportou receita de 153,2 bilhões de euros, um aumento de 3,2 bilhões de euros em relação à receita de 150 bilhões de euros em 2022. A empresa registrou um EBIT de 19,7 bilhões de euros, e seu EPS foi de 13,46 euros. 

#2. Biohm

Biohm, uma empresa de pesquisa e desenvolvimento multi-premiada, acredita na filosofia de ‘permitir que a natureza conduza a inovação’. Como missão, a empresa tem sido ‘harmonizando sistemas culturais e naturais através da licenciamento responsável de biotecnologias inovadoras e escaláveis’.

Uma das tecnologias emblemáticas da Biohm aproveita o poder do micélio — a estrutura filamentosa vegetativa dos cogumelos. A empresa utiliza essa tecnologia para produzir soluções de alto impacto e alto desempenho no desenvolvimento de componentes sofisticados, como compósitos particulados, compósitos reforçados com fibras, materiais monolíticos e materiais monolíticos semelhantes a polímeros. Estes são bem adequados para uso nas áreas de construção, produtos de consumo ou varejo, embalagens especializadas, interiores, peças de mobiliário e moda.

Por meio de sua tecnologia ‘Orb’, a Biohm converte alguns dos fluxos de resíduos de crescimento mais rápido — resíduos alimentares e agrícolas — em produtos de alto desempenho valiosos e funcionais. Esses produtos podem ser formados em folhas e moldados em formas 3D intrincadas e produtos impressos em 3D.

Além disso, a Biohm oferece um sistema de construção pré-fabricado que não requer ligantes ou fixadores permanentes, criando estruturas robustas e de alta qualidade. Inspirado na geometria matemática das ligações moleculares do carbono, este sistema pode reduzir o impacto ambiental, o custo e o tempo de construção de um edifício em 120%, 70% e 95%, respectivamente.

Em um de seus esforços de biorremediação revolucionários, a Biohm, em colaboração com a Waitrose & Partners e a Power To Change, desenvolveu quatro cepas de micélio que podem consumir plásticos, incluindo poliuretano (PU), polietileno (PE), poliestireno (PS) e poliéster (PET). Aproveitando essa tecnologia centrada no micélio, os plásticos podem ser decompostos em açúcares, hidrocarbonetos benignos e dióxido de carbono. O micélio consome os açúcares e hidrocarbonetos, enquanto o dióxido de carbono se transforma em oxigênio por meio de organismos fotossintetizantes.

De acordo com estimativas da indústria, a empresa conseguiu levantar fundos de US$1,73 milhão até o momento. 

O Futuro da Aerodinâmica e Dinâmica dos Fluidos Bioinspirada

Reimaginar a aerodinâmica e a dinâmica dos fluidos ao buscar inspiração na natureza tem motivado pesquisadores em todo o mundo. Na Bio-Inspired Flight Lab da Universidade de Bristol, liderada pelo Dr. Shane Windsor, por exemplo, os pesquisadores investigaram uma variedade de aspectos de detecção e controle do voo animal e como eles podem melhorar tecnologias engenheiradas, especialmente o funcionamento de veículos aéreos não tripulados (UAVs) de pequena escala.

Uma das maiores marcas do mundo, a Lockheed Martin (LMT ), inspirou-se para seu Skunk Works nos besouros Hércules das regiões tropicais da América Central e do Sul para escurecer ou clarear organicamente a fim de combinar com a tonalidade diária mutável da floresta ao redor. Pesquisadores do Skunk Works acreditam que imitar essa propriedade poderia melhorar a fabricação de peças compostas de aeronaves ao desenvolver sensores capazes de alertar técnicos quando uma estrutura complexa está no nível correto de umidade para avançar para a próxima etapa do processo de fabricação.

De acordo com Thomas Koonce, responsável pelo Portfólio de Tecnologia Revolucionária do Skunk Works, “Sensores de mudança de cor seriam uma forma rápida, barata e confiável de determinar se as condições estão corretas para a fabricação.” Koonce classifica isso como uma ‘solução de baixo custo e baixa mão-de-obra’.

No Glenn Research Center da NASA, em Ohio, os bigodes das focas portuárias inspiraram o pesquisador Vikram Shyam a projetar pás de turbina de baixo arrasto para o Projeto de Tecnologia de Transporte Aéreo Avançado, que busca desenvolver eficiência energética inovadora para aeronaves de asa fixa.

De forma semelhante, Isaiah Blankson, tecnólogo sênior no Glenn Research Center da NASA, foi inspirado pela precisão acrobática dos pinguins nadadores para desenvolver o programa Low-Boom Flight Demonstration, que tenta diminuir os estrondos sônicos com modelagem aerodinâmica.

Buscar inspiração na natureza ajudou enormemente os humanos a melhorar suas soluções de aerodinâmica e dinâmica dos fluidos. A sabedoria da natureza e dos reinos animais, refinada ao longo de centenas de milhares de anos de práticas evolutivas e táticas de sobrevivência, oferece um vasto conhecimento para soluções de engenharia melhores, eficientes, de baixo custo e sustentáveis.

Clique aqui para aprender como a robótica está seguindo o exemplo da natureza.