Los animales marinos inspiran nuevos enfoques para optimizar la topología estructural

El molusco y la gamba son dos animales marinos poco probables que juegan un papel muy importante en la ingeniería. Los cuerpos de ambos animales ilustran cómo se pueden tomar prestadas características naturales, como las estructuras de sus huesos y conchas, para mejorar el rendimiento de las estructuras y materiales diseñados, como puentes y aviones. Este fenómeno, conocido como biomimética, está ayudando a avanzar en los estudios de topología estructural que imitan las características a microescala que se encuentran en los sistemas naturales.

Un artículo reciente publicado por científicos del Instituto de Tecnología de Georgia y la Pontificia Universidad Católica de Río de Janeiro, Brasil, describe un nuevo enfoque para optimizar la topología estructural que combina el diseño y la fabricación para crear microestructuras novedosas con aplicaciones potenciales. desde implantes faciales mejorados hasta la reconstrucción del cráneo y formas mejoradas de transportar materiales al espacio para la exploración planetaria.

“Con la optimización de la topología estructurada tradicional, utilizamos algoritmos para determinar el diseño de estructura ideal, uno que maximiza la eficiencia estructural y requiere menos recursos materiales”, dijo la Dra. Emily Sanders. estudiante del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de Georgia Tech y coautor del artículo. “Nuestra nueva investigación va un paso más allá al introducir una jerarquía estructural, una microarquitectura y una propiedades mecánicas para habilitar diferentes tipos de funcionalidad, como las que se ven en la sepia y el camarón mantis religiosa ‘.

Las propiedades de ambos animales inspiraron un nuevo marco para el diseño de microestructuras jerárquicas y espacialmente diversas, y requirieron que los científicos utilizaran las tecnologías existentes para crear estructuras impresas en 3D.

“En nuestro artículo reciente, desarrollamos tecnología que incorpora nuevos algoritmos y cálculos que permiten la creación de una microestructura jerárquica”, dijo Glaucio Paulino, director de Raymond Allen Jones y profesor de la Escuela de Ingeniería Civil y Ambiental de Georgia Tech, co. – autor del artículo y reciente becario de la Academia Nacional de Ingeniería. “Luego podemos ingresar esta información en impresoras 3D y crear estructuras con mucho detalle. Después de examinar el hueso de sepia poroso y en capas, que tiene propiedades extremadamente adaptativas, pudimos aplicar esto a nuevas estructuras y materiales, como los que se muestran en nuestro artículo ‘.

Paulino y su equipo esperan que esta nueva investigación se utilice en su trabajo anterior sobre la reconstrucción del cráneo en pacientes con cáncer y aquellos que han tenido lesiones faciales extensas y pérdida ósea.

“Ahora podemos imprimir implantes craneofaciales en 3D que están diseñados con optimización de topología y proporcionan un marco para el recrecimiento de tejido”, dijo Paulino. “Idealmente, en combinación con la microarquitectura espacialmente variable que desarrollamos recientemente, los implantes imitarían más de cerca la naturaleza porosa del hueso humano y promoverían el crecimiento del propio hueso dentro del andamio. A medida que el hueso crece, el andamio se biodegrada y, si todo va bien, eventualmente el andamio desaparece y el paciente tiene huesos nuevos en los lugares correctos “.

Diseño y producción

Como explica Sanders, este artículo explora dos aspectos que avanzan en la investigación de optimización de topología: diseño y fabricación. El primer objetivo es diseñar una macrogeometría óptima y, al mismo tiempo, una ubicación óptima dentro de microgeometrías espacialmente diferenciadas para cumplir con los objetivos de rendimiento. En este artículo, los investigadores buscaron partes extremadamente rígidas con un volumen limitado, similar a la garra de martillo de una mantis camaronera, y lograron un alto nivel de complejidad que imita la naturaleza en ambas escalas.

El segundo objetivo está relacionado con la producción necesaria para crear la estructura. Con la fabricación aditiva, o la impresión 3D, los científicos pueden producir estructuras con geometrías complejas. Sin embargo, a medida que el equipo de investigación introduce microestructuras que cambian espacialmente, la impresión se vuelve cada vez más difícil.

“Los datos 3D más complejos que tendríamos que enviar a la impresora son tan grandes que es prohibitivo”, dijo Sanders. “Así que tuvimos que encontrar una nueva forma de comunicar esta información a la impresora. Ahora solo pasamos información 2-D incrustando microestructuras directamente en las capas 2-D de la estructura. Finalmente, la impresora combina las rodajas para hacer Estructura. Es mucho más eficiente “.

“Lo que Emily hizo con la producción es cerrar el ciclo”, dijo Paulino. “Ofrecemos diseño, matemáticas y algoritmos. Combinamos la optimización de la topología con la fabricación aditiva tanto a nivel macro como micro.

Aplicaciones futuras

Teniendo en cuenta los avances futuros realizados en la optimización de la topología estructural en este artículo, Paulino y Sanders ven aplicaciones en biomateriales y propiedades magnéticas destinadas a la exploración espacial.

Paulino prevé una colaboración interdisciplinaria entre la ingeniería, la química y la biología para desarrollar materiales y arquitecturas biocompatibles para uso médico.

“Aún no hemos llegado allí, pero este trabajo es un paso en la dirección correcta”, dijo Paulino. “Eventualmente, podremos imprimir materiales biocompatibles. Esta investigación que utiliza una microarquitectura espacialmente diversa debería permitir un diseño y una producción óptimos para aplicaciones de biomateriales ”.

En el campo de la exploración espacial, la investigación puede influir en la creación de estructuras y sistemas sintéticos con funcionalidad, como conjuntos de materiales magnéticos, que se pueden activar bajo demanda utilizando los campos magnéticos aplicados.

“Un aspecto importante de este trabajo es que ha abierto nuestro espacio de diseño para que podamos tener propiedades espacialmente diferenciadas, lo que nos permite hacer cosas que antes no podíamos”, dijo Sanders.

Paulino continúa explicando que en el caso de los viajes espaciales, cada libra de material enviado al espacio tiene un costo enorme, por lo que la cantidad de material y el volumen importado para misiones espaciales son muy limitados.

“La forma en que veo nuestra producción en el espacio es imprimir en el lugar, potencialmente utilizando materiales impresos de un planeta alienígena”, dijo Paulino. “Puede llevar las capacidades de impresión aditiva a Mars e imprimir estructuras con las propiedades que necesita cuando llegue allí. Solo imprime lo que necesita, en lugar de entregar lo que crea que puede necesitar. En el espacio, desea optimizar todo lo que hace. “

Inspirados por los animales y cómo funcionan en la naturaleza, Paulino y su equipo rediseñaron la optimización de la topología, esta vez con un nuevo diseño y producción de estructuras jerárquicas espacialmente diversas. Aplicaciones prácticas en biomedicina y exploración espacial seguramente seguirá.