Marcela Gutiérrez
Colaboradora / Proyectos de Investigación
La naturaleza ha sido fuente de inspiración para los científicos que buscan encontrar soluciones innovadoras a problemas que la evolución de animales y plantas ya ha resuelto. Esta ciencia se denomina biomimética y es a lo que se dedican en conjunto las universidades EAFIT y Purdue (Estados Unidos) con el estudio del Stomatopoda o camarón mantis para diseñar materiales más resistentes para la ingeniería.
Los investigadores encontraron que el origen de la resistencia del apéndice en forma de garrote de este crustáceo podría ser, además de los materiales que lo constituyen, la manera como están organizados. A partir del estudio de la propagación de ondas hallaron que la geometría de su microestructura contribuye elocuentemente con una serie de mecanismos, que hace que el apéndice no se dañe, a pesar de los fuertes impactos que recibe del contacto con sus presas y depredadores.
El estudio realizado por el Laboratorio de Modelamiento Computacional Multiescala de Purdue, en colaboración con la Universidad de California en Riverside y el grupo de investigación en Mecánica Aplicada (categoría A1-Colciencias), desde la línea de Mecánica Computacional de EAFIT, busca desarrollar guías de diseño para que los ingenieros dedicados a la fabricación de materiales puedan tener información acerca del comportamiento del crustáceo y replicar su resistencia.
De esta manera, se busca aportar a aplicaciones en áreas como las industrias aeroespacial y automotriz, o incluso en el diseño de estructuras sismorresistentes y en otros usos como implementos deportivos que protejan más a los jugadores o en el campo militar para elementos de blindaje de vehí- culos y aeronaves.
El aporte de EAFIT
El camarón mantis, que habita en el arrecife de coral más grande del mundo en Australia, alcanza los 12 centímetros y su nombre hace alusión al parecido que tiene con la Mantis religiosa, aunque la similitud nada tiene que ver con sus habilidades como depredadores.
La fuerza creada por el impacto del crustáceo es más de 1.000 veces su propio peso y su aceleración puede llegar a ser de 10.000 veces la de la gravedad, que es cercana a la aceleración de una bala. La magnitud del golpe rompe con facilidad las fuertes conchas de moluscos y cangrejos de los que se alimenta, sin dañarse a sí mismo. Lo más notable es que dicho apéndice puede generar fuerzas de hasta 150 kilogramos cuando el tamaño del garrote no excede el medio centímetro.
La fuerza creada por el impacto del camarón mantis es más de 1.000 veces su propio peso y su aceleración puede llegar a ser de 10.000 veces la de la gravedad, que es cercana a la aceleración de una bala.
“Cuando el animal golpea la presa, ese impacto genera una onda que se propaga por su apéndice con una alta intensidad que en teoría debería dañarlo, pero no lo hace. Ahí surge la pregunta, ¿de qué materiales está hecha esa estructura o cómo están organizados los materiales que la componen para lograr que esta pueda absorber la onda sin dañarse?”, comenta Juan David Gómez Cataño, coordinador del estudio en EAFIT.
Para responder a esta pregunta, Pablo Zavattieri de la Universidad Purdue, junto con colaboradores de la Universidad de California en Riverside, observaron el comportamiento de las partes del apéndice del camarón mantis y encontraron que se trataba de un material periódico –característica que se repite o replica cada cierta distancia– y de forma helicoidal –similar a una estructura de madera machihembrada, pero además con rotación–.
Característica que, acota Zavattieri, requería estudiarse desde la propagación de ondas, que es la investigación que el profesor Juan David Gómez realiza con el grupo de Mecánica Aplicada desde la línea de Mecánica computacional de EAFIT.
De ahí que el aporte de EAFIT, en esta colaboración entre ambas universidades que mantenían contacto cercano, es en el análisis de la resistencia del crustáceo desde la propagación de ondas. Esto no había sido explorado y es importante porque podría implementarse en diferentes aplicaciones como, por ejemplo, en ingeniería sísmica.
Al respecto, complementa Zavattieri, “hay una característica llamada band gaps (o bandas de frecuencias prohibidas) generadas a través de un fenó- meno conocido como dispersión, que significa que hay ciertas frecuencias de las ondas que no pasan. Esto se puede entender fácilmente si se piensa, por ejemplo, en ondas de sonido. Es como si se tuviera un micrófono de un lado y del otro lado un violín y hay ciertas notas que pasan y ciertas notas que no. Lo que sucede ahí es que las ondas interactúan con la microestructura del material, haciendo que ciertas frecuencias queden atrapadas en el material periódico. Como consecuencia de dicho mecanismo de filtrado es que se minimizan las tensiones internas producidas en el proceso de impacto, facilitando la durabilidad del apéndice”.
La Universidad Purdue también estudia otras especies como escarabajos, escamas de pescados y la estructura de diferentes plantas como la madera o el bambú.
Para comprobar si esto era lo que sucedía dentro del apéndice, en 2012 Nicolás Guarín, del grupo de Mecánica Aplicada, se fue a Purdue para adelantar sus estudios de doctorado e incorporarse al grupo de investigación del profesor Zavattieri. Guarín, quien analiza el comportamiento de las ondas en la estructura del apéndice del camarón mantis, reitera que se cree que la microestructura tiene como una de sus funciones el filtrado de ondas, pero aclara que necesariamente este no es el único mecanismo que contribuye a la resistencia del animal y, por eso, también hay otros puntos de vista que se indagan.
Los retos
Con base en los hallazgos obtenidos, el propósito de los investigadores es proponer un diseño de material, a partir de la geometría de los componentes presentes en el apéndice con forma de garrote del camarón mantis, y comprobar si responden de manera efectiva a otro tipo de impactos.
Con este estudio basado en la geometría de los materiales se busca aportar a este campo, cuya tendencia en la actualidad es combinar componentes altamente resistentes.
“La fabricación de esta clase de materiales es uno de los temas a resolver y se necesitan estudios de este tipo por las posibilidades de aplicaciones que podríamos tener. Además, para que los encargados de su elaboración puedan contar con la información depurada al hacer experimentos, por eso es importante tener una simulación o un modelo teórico”, concluye Guarín.
El grupo de Mecánica Aplicada creó un simulador de propagación de ondas en 2D y 3D para entender cómo afectaría un sismo al Valle de Aburrá.
Por su parte, Zavattieri afirma que “si bien el proceso de fabricacion de materiales compuestos reforzados con fibras es bastante maduro, falta conocer, o al menos a nadie se le ha ocurrido todavía, los parámetros geométricos que llevan a un comportamiento tan único como al del apéndice del camarón mantis.
La necesidad de tener materiales más resistentes a todo tipo de impactos seguirá motivando a los ingenieros a dar la mirada hacia la naturaleza para tomar de ahí los mejores ejemplos. Mediante la biomimética o bioinspiración, han encontrado que la naturaleza juega con pocos constituyentes y le apuestan a una geometría específica para lograr su eficiencia.
Referencia
N. Guarín-Zapata, J.D. Gomez, N. Yaraghi, D. Kisailus, P.D. Zavattieri, “Shear Wave Filtering in NaturallyOccurring Bouligand Structures”, Acta Biomaterialia, 2015. [PDF http://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S1742706115002172]
Los investigadores
Pablo Zavattieri
Ingeniero nuclear, Instituto Balseiro (San Carlos de Bariloche, Argentina); PhD en Aeronáutica y Astronáutica, Universidad Purdue. Experiencia en la industria trabajando para General Motors Research and Development. Associate Professor, Lyles School of Civil Engineering, Universidad Purdue.
Juan David Gómez Cataño
Ingeniero Civil, Universidad de Medellín; magíster en Ingeniería Estructural y PhD en Mecánica Computacional, Universidad de Buffalo (Estados Unidos). Profesor del Departamento de Ingeniería Civil e investigador del grupo de Mecánica Aplicada de la Universidad EAFIT.
Más información sobre el investigador.
Nicolás Guarín Zapata
Ingeniero físico y magíster en Ingeniería con énfasis en Mecánica computacional, Universidad EAFIT. Asistente de investigación en el Laboratorio de Modelamiento Computacional Multiescala de la Universidad Purdue, donde aspira a PhD.