Al mencionar la frase "esponja marina", alguien puede tener una imagen de un personaje de dibujos animados extremadamente popular en su cabeza. Sin embargo, el mejor empleado Krusty Krab no tiene nada que ver con su prototipo real. Visualmente, los diferentes tipos de esponjas marinas se ven diferentes: ánforas griegas antiguas, intrincados instrumentos de viento, ramas de árboles secas, flores de fantasía, etc. Pero detrás de la apariencia externa hay una estructura celular increíblemente compleja que ha atraído la atención de la comunidad científica desde hace varios años. Investigadores de la Universidad de Harvard descubrieron recientemente que las características estructurales de las esponjas marinas pueden servir de inspiración para rascacielos más fuertes y altos, puentes más largos y naves espaciales ultraligeras. ¿Por qué la estructura de la esponja marina es única?¿Cuáles son sus características mecánicas y qué resultados mostraron los prototipos basados en los datos obtenidos? Encontraremos respuestas a estas preguntas en el informe de los científicos. Vamos.
Base de investigación
Hay alrededor de 8000 especies de esponjas marinas en el mundo, pero este estudio se centra en las esponjas de seis rayos ( Hexactinellida ). Este tipo de esponja también es muy diverso, con unas 600 especies. Viven en los mares a profundidades de 5 a más de 6000 metros.
Las esponjas de seis rayos recibieron su nombre de la estructura de su esqueleto, que consta de agujas de silicio de seis rayos, que se encuentran en tres planos perpendiculares entre sí.
La forma del cuerpo de Hexactinellida puede ser muy diferente: tubular, caliciforme, grumosa, processous, lobulada, etc. A pesar de las diferencias visuales, la composición corporal de todas las especies es bastante similar. La base del cuerpo es un solo sincitio * .
* — , .Un diagrama por sí solo es suficiente para comprender por qué una esponja de vidrio puede ser tan útil en arquitectura o construcción de puentes.
(Hexactinellida): — ; - — ; — ; — .
En este estudio, los científicos examinaron el sistema esquelético mineralizado de la esponja Euplectella aspergillum (canasta de flores de Venus), que tiene una arquitectura jerárquica única y resistencia mecánica en muchas escalas de longitud.
Euplectella aspergillum (vista superior).
Elementos del esqueleto vítreo (espículas) E. aspergillum compuesto por un núcleo de proteína central rodeado por capas concéntricas alternas de nanopartículas de sílice consolidadas (sílice, SiO 2) y capas orgánicas delgadas. Las espículas están organizadas para formar una cuadrícula, reforzada por dos conjuntos de puntales diagonales que se cruzan, creando un patrón similar a un tablero de ajedrez de celdas alternas abiertas y cerradas.
Imagen # 1
Anteriormente, ya se había examinado el efecto de la arquitectura de espículas multicapa sobre la desaceleración de la propagación de grietas y el aumento de la resistencia a la flexión, pero los beneficios mecánicos potenciales de un entramado de espículas cuadradas de dos diagonales no han recibido mucha atención.
Los científicos recuerdan que las celosías de células abiertas como las que se encuentran en el sistema esquelético de E. aspergillumse utilizan comúnmente en un contexto de ingeniería debido a su menor peso, alta absorción de energía y capacidad para controlar la propagación acústica y de las ondas de calor. Como regla general, las propiedades y la funcionalidad de tales formas geométricas dependen del tipo y las características de la conexión de sus nodos (puntos de intersección).
Por ejemplo, se requiere un número mínimo de nodos de seis para celosías bidimensionales en las que predomina la tensión, logrando así una mayor relación resistencia-peso para aplicaciones estructurales. Pero las celosías con geometría cuadrada simple (con una conexión de nudo de cuatro) son bastante inestables cuando el vector de carga tiene un componente transversal, por lo que se requiere una conexión diagonal para la estabilización.
En el trabajo que estamos considerando hoy, los científicos utilizaron el esqueleto de E. aspergillum como base para crear arquitecturas de celosía cuadrada mecánicamente robustas. Durante el estudio, se utilizaron métodos de análisis experimentales y numéricos para determinar las propiedades mecánicas del entramado esquelético de la esponja.
Resultados de la investigacion
Para comprender mejor las ventajas mecánicas de la arquitectura esquelética de la esponja, las características geométricas se compararon con las de las otras tres celosías de base cuadrada 2D (las cuatro tenían el mismo volumen, es decir, la misma cantidad de material).
En cada una de estas estructuras, la arquitectura cuadrada básica consistió en elementos con una longitud L y una sección transversal rectangular caracterizados por una profundidad H que es lo suficientemente grande para evitar deformaciones fuera del plano.
La opción A, que se inspiró en una esponja marina, consistió en elementos horizontales y verticales (fuera de la diagonal) de espesor T A, nd = 0.1 L y dos conjuntos de diagonales dobles paralelas de espesor T A, d= 0.05 L ubicado a una distancia S = L / (√2 + 2) de los nodos ( 2 ).
La
opción B de la imagen # 2 también se basó en la arquitectura de la esponja con T B, nd = 0.1 L, pero contenía solo una diagonal de espesor T B, d = 0.1 L, cruzando cada una de las celdas cerradas ( 2b ).
La opción C (T C, nd = 0.1 L) se basó en la arquitectura utilizada en aplicaciones de ingeniería moderna, tenía un conjunto de vigas diagonales cruzadas con espesor T C, d = 0.05 L en cada celda ( 2c ).
La opción D no tenía refuerzo diagonal, y sus miembros horizontales y verticales eran T D, nd = 0.1L (1 + 1 / √2) (2d ).
En primer lugar, se analizó la respuesta mecánica bajo compresión uniaxial a lo largo de los elementos verticales de las cuatro opciones de celosía descritas anteriormente.
Se hicieron muestras que contenían mosaicos de 6x6 de celdas cuadradas con L = 1,5 cm y H = 4 cm en una impresora 3D Connex500 (Stratasys). La compresión uniaxial se realizó utilizando un dispositivo Instron (modelo 5969) con una celda de carga de 50 kN ( 2e ).
En el gráfico 2fmuestra las curvas tensión-deformación de las que se pueden extraer dos conclusiones principales. Primero, todos los diseños de refuerzo diagonal (opciones A, B y C) tuvieron una respuesta elástica inicial casi idéntica, lo que demuestra que los diferentes diseños de refuerzo diagonal no afectaron la rigidez general inicial de la estructura. La opción D, como se esperaba, mostró una mayor rigidez inicial debido a los miembros verticales y horizontales más gruesos.
En segundo lugar, todas las curvas muestran una clara capacidad de carga máxima, siendo la estructura A (variante inspirada en la esponja) la que soporta la mayor carga.
Dado que cada carga máxima correspondía al inicio del pandeo, los científicos concluyeron que el diseño A tenía el esfuerzo crítico de pandeo más alto de todas las opciones de pandeo consideradas.
Además, se encontró que en las tres estructuras con diagonales, la dinámica posterior a la pérdida de estabilidad condujo a una transformación homogénea de la estructura en toda la muestra ( 2e ).
Pero en la variante D, el modo crítico condujo a una longitud de onda mucho más larga que el tamaño de la celda cuadrada, lo que, después de la pérdida de estabilidad, condujo a la formación de una forma cualitativamente similar a la de un haz curvo comprimido.
Para comprender cómo el diseño de celosía inspirado en la esponja resultó en mejoras mecánicas significativas, se realizó una simulación de elementos finitos utilizando el software ABAQUS / Standard.
Para el modelado, la geometría se construyó utilizando elementos de viga Timoshenko (tipo de elemento ABAQUS B22) y la reacción del material se registró utilizando un modelo de material incompresible con un módulo de corte μ = 14,5 MPa.
El proceso de modelado consta de tres etapas:
- análisis de pandeo;
- luego se aplicó una perturbación a los nodos de la cuadrícula en forma del modo de pandeo más bajo;
- Análisis estático no lineal para evaluar respuestas no lineales en grandes deformaciones.
El gráfico 2f muestra una concordancia muy estrecha entre los resultados numéricos y experimentales.
Además, el modelo de elementos finitos se amplió intencionalmente para estudiar la influencia de la dirección de la carga. Con el fin de reducir los costos computacionales y eliminar los efectos de borde, se utilizó la periodicidad de las estructuras y se investigó la respuesta de elementos de volumen representativos (RVE) con condiciones de contorno periódicas adecuadas.
Imagen n. ° 3
en 3amuestra el cambio en la rigidez estructural efectiva (E) en función del ángulo de carga (θ). Se encontró que la rigidez de todas las estructuras que contienen refuerzo diagonal era prácticamente la misma para cualquier ángulo de carga. Este hecho confirma además que la rigidez de la estructura estaba determinada principalmente por la cantidad de material distribuido a lo largo de la dirección de la carga.
Como resultado, la estructura D, en la que todo el material se clasificó como elementos fuera de la diagonal, exhibió la mayor rigidez en θ = 0 °, pero tuvo una capacidad de carga insignificante en θ = 45 °.
Además, se estudió la influencia de θ en las características de pandeo de las estructuras A - D. Esfuerzo de flexión crítico efectivo (̅σ cr) del diseño A fue mayor que el de otros diseños de refuerzo diagonal (diseños B y C) para todos los valores de θ ( 3b ). La construcción D supera a la construcción A en el intervalo 27 ° <θ <63 °, asumiendo que estas construcciones son infinitas. Sin embargo, dado el comportamiento de pandeo global de la estructura D, tales características fueron influenciadas en gran medida por los efectos de contorno y la tensión crítica de pandeo se redujo significativamente cuando se consideró una estructura con un RVE de 10x10 de buen tamaño ( 3d ). Además, la geometría de la estructura A conservó su robustez incluso después de modificaciones en la celosía al introducir diferentes niveles de desorden, lo cual es consistente con las características observadas en el esqueleto de la esponja marina.
La simulación anterior y los resultados de las pruebas reales muestran claramente que la opción de diseño A, basada en el esqueleto de la esponja, supera claramente a sus competidores (opciones B, C y D). Sin embargo, esta prueba no había terminado, porque los científicos se preguntaban si era posible crear una estructura que fuera aún mejor.
Para ello, se formuló un problema de optimización orientado a determinar el número (N) de elementos diagonales de una celosía cuadrada, lo que permitiría lograr un mayor esfuerzo crítico de flexión. También fue necesario establecer la distancia entre estos elementos y los nodos de las juntas de celosía S i (donde i = 1, 2, ..., N), así como la relación de elementos diagonales y fuera de la diagonal λ = V nd / V d (Vnd y V d son los volúmenes de elementos fuera de la diagonal y diagonales, respectivamente). Todas estas variables de una forma u otra afectan los indicadores de tensión de flexión.
Durante las pruebas, las estructuras de 3x3 RVE fueron sometidas a compresión uniaxial paralela a los elementos fuera de la diagonal (θ = 0 °). La función objetivo Z = ̅σ cr se maximizó utilizando el modelado de elementos finitos junto con una implementación de Python del algoritmo de evolución de la adaptación de la matriz de covarianza (CMA-ES). Para cada conjunto de datos de entrada definido por el CMA-ES, se realizó un análisis de pandeo por el método de elementos finitos para obtener ̅σ cr , que posteriormente se utilizó para estimar la función objetivo Z.
Se realizaron siete optimizaciones diferentes, cada una de las cuales consideró un número entero fijo de elementos diagonales N en el rango de uno a siete (N = ℤ ϵ [1, 7]). Para asegurar la simetría del sistema, se tuvieron en cuenta las siguientes reglas: S 2i - 1 = S 2i (i = 1, 2, ..., N / 2), si N es un número par; S 1 = 0 y S 2i - 1 = S 2i (i = 2, 3, ..., (N - 1) / 2) si N es impar.
Imagen # 4 El
Gráfico 4a muestra el valor más alto de σ cr determinado por el modelo CMA-ES para todos los valores considerados de N. Se encontró que el valor más alto de σ crfue solo un 9.55% más alto que en el caso del diseño previamente probado A. En esta prueba, el diseño simulado también se inspiró en una esponja de mar: se ubicaron dos diagonales a una distancia de S = 0.1800 L de los nodos, y la distribución de volumen fue tal que λ = 0,6778). Los resultados de la simulación se han confirmado con éxito de forma experimental ( 4b ).
Los científicos señalan que la estructura esquelética de la esponja marina E. aspergillum es una gran inspiración para algo más que arquitecturas de celosía (construcción A). Para demostrar esto, la imagen 5a muestra un fino mosaico de malla cuadrada de 11x2 sometido a un esfuerzo de flexión de tres puntos.
Imagen # 5
Como experimentos ( 5b) y las simulaciones de elementos finitos demostraron que el diseño inspirado en la esponja era más rígido y podía soportar cargas un 15% más altas en una gama más amplia de desplazamientos aplicados.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos y materiales adicionales .
Epílogo
La naturaleza siempre ha sido, es y será una de las principales fuentes de inspiración para la investigación científica. En este trabajo, esta afirmación fue confirmada por el ejemplo de las esponjas marinas de la especie Euplectella aspergillum, cuya estructura esquelética tiene características sorprendentes. La característica principal es que esta estructura biológica es capaz de soportar cargas importantes, mientras que en su construcción se involucra una cantidad mínima de material. En otras palabras, las esponjas de mar son bastante porosas (en términos generales), pero muy duraderas.
El estudio ha demostrado que la arquitectura del esqueleto de una esponja marina puede ser extremadamente útil en una variedad de áreas de la actividad humana. La introducción de la arquitectura de esponja en la construcción permitirá la creación de rascacielos más altos y puentes más largos, mientras que se gastará la cantidad óptima de material y la resistencia de las estructuras terminadas no se verá afectada. Esta técnica también se puede utilizar en la construcción de aeronaves, construcción naval e incluso en astronáutica, porque minimizar la masa del barco minimizará el consumo de combustible.
Viernes fuera de la cima:
Euplectella aspergillum ( , EV Nautilus 2014 ).
Euplectella aspergillum ( , EV Nautilus 2014 ).
Gracias por su atención, ¡tengan curiosidad y tengan un gran fin de semana, chicos! :)
Un poco de publicidad
Gracias por estar con nosotros. ¿Te gustan nuestros artículos? ¿Quieres ver contenido más interesante? Apóyanos haciendo un pedido o recomendando a amigos, VPS en la nube para desarrolladores desde $ 4.99 , un análogo único de los servidores de nivel de entrada que hemos inventado para usted: Toda la verdad sobre VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 núcleos) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps desde $ 19 o cómo dividir el servidor correctamente? (opciones disponibles con RAID1 y RAID10, hasta 24 núcleos y hasta 40GB DDR4).
¿Dell R730xd es 2 veces más barato en el centro de datos Equinix Tier IV en Ámsterdam? ¡Solo tenemos 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV desde $ 199 en los Países Bajos!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ¡Desde $ 99! Lea sobre Cómo construir la infraestructura de bldg. clase con el uso de servidores Dell R730xd E5-2650 v4 a un costo de 9000 euros por un centavo?