Resumen:
Investigadores de la Universidad de California, Berkeley, la Universidad de Harvard y la Universidad Politécnica de Estambul en Turquía han desarrollado un método de diseño de metamateriales que tiene en cuenta la capacidad de carga y el rendimiento del fluido, basándose en la estructura esquelética de la esponja de vidrio de aguas profundas "Euplectella aspergillum". La investigación, publicada en Nature Communications, no se centra en replicar la esponja en sí, sino en traducir su geometría de rejilla resistente y liviana en estructuras de ingeniería optimizadas computacionalmente.
El marco de Venus Basket está hecho de sílice similar al vidrio. Los marcos longitudinales y circunferenciales, los tirantes diagonales cruzados y los patrones en espiral externos forman juntos una red compleja, lo que le permite resistir la presión y las corrientes del mar profundo y guiar el agua a través o alrededor del cuerpo. El equipo de investigación espera aprender de esta estructura y resolver las contradicciones comunes en el diseño de ingeniería: el material debe ser lo más liviano posible y utilizar la menor cantidad de material posible, y al mismo tiempo ser lo suficientemente fuerte como para reducir la resistencia y la vibración causada por el viento o el flujo de agua.
Con este fin, el equipo utilizó análisis de elementos finitos para evaluar la resistencia estructural, dinámica de fluidos computacional para simular el flujo y luego utilizó un algoritmo de optimización bayesiano multiobjetivo para seleccionar y ajustar automáticamente cientos de soluciones geométricas. Los objetivos de optimización incluyen aumentar la carga crítica de pandeo de la estructura y reducir la resistencia del fluido, la elevación y las fluctuaciones de elevación; este último está relacionado con la formación de vórtices y las vibraciones que induce. Luego, los investigadores utilizaron estereolitografía para fabricar las estructuras seleccionadas y verificaron los resultados de la simulación mediante experimentos de compresión y velocimetría de imágenes de partículas.
Los experimentos muestran que bajo diferentes fracciones de volumen de material, la carga crítica de pandeo de la rejilla optimizada aumenta en aproximadamente un 140 % en promedio en comparación con el diseño de referencia, al tiempo que se reduce la resistencia, la sustentación y la formación de vórtices. Por ejemplo, Berkeley dijo que una estructura cilíndrica casi sólida con una relación de apertura de sólo alrededor del 5% y una cresta en espiral también puede suprimir significativamente las vibraciones inducidas por fluidos sin sacrificar la estabilidad estructural. Los investigadores dijeron que estas mejoras provienen de la optimización de la geometría y no aumentan el volumen del material; los valores relevantes son los resultados de la comparación de la estructura experimental y el esquema de referencia, y no significan que todos los materiales o aplicaciones puedan mejorarse por igual.
El equipo cree que este método tiene el potencial de usarse en estructuras que deben ser livianas, resistentes a la carga y expuestas a ambientes fluidos durante mucho tiempo, incluidos componentes de aeronaves, estructuras de soporte de tuberías submarinas y stents médicos que ayudan a mantener los canales de fluidos en el cuerpo. También puede ser adecuado para instalaciones de ingeniería afectadas por el viento, como edificios de gran altura. La investigación aún se encuentra en la etapa de diseño del marco y de verificación del prototipo, y las aplicaciones prácticas requieren más pruebas en diferentes materiales, escalas, cargas y métodos de fabricación.
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