O molusco quitão, que tem cerca de 1 a 2 polegadas de comprimento, tem uma série de oito placas grandes e é circundada por um cinto de menor, escalas mais flexíveis. O molusco é a inspiração por trás de uma armadura impressa em 3D. Crédito:Virginia Tech
As motivações para usar a biologia como inspiração para a engenharia variam de acordo com o projeto, mas para Ling Li, professor assistente de engenharia mecânica na Faculdade de Engenharia, a combinação de flexibilidade e proteção observada no molusco quitão foi toda a motivação necessária.
"O sistema que desenvolvemos é baseado no quíton, que tem um sistema de armadura biológica único, "Disse Li." A maioria dos moluscos tem uma única concha rígida, como o abalone, ou duas conchas, como amêijoas.
Mas o quíton tem oito placas mineralizadas cobrindo o topo da criatura e ao redor de sua base tem um cinto de escamas muito pequenas montadas como escamas de peixe, que fornecem flexibilidade e proteção. "
Trabalho de Li, que foi destaque no jornal Nature Communications 10 de dezembro é o resultado de uma colaboração com pesquisadores de várias instituições, incluindo o Instituto de Tecnologia de Massachusetts, o Dana-Farber Cancer Institute da Harvard Medical School, California State University, Fullerton, o Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces, Alemanha, e o Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia da Universidade de Harvard.
Como o projeto mecânico das escamas da cintura do quitão não havia sido estudado em profundidade antes, a equipe de pesquisadores precisava começar com o material básico e a análise mecânica do molusco antes de usar essas informações como bioinspiração para a pesquisa de engenharia.
Uma demonstração da armadura flexível impressa em 3D em vidro quebrado. Crédito:Virginia Tech
“Estudamos esse material biológico de forma muito detalhada. Quantificamos sua microestrutura interna, composição química, propriedades nano-mecânicas, e geometria tridimensional. Estudamos as variações geométricas das escalas em várias espécies de quíton, e também investigamos como as escalas se agrupam por meio de análise de tomografia 3D, "Li disse.
A equipe então desenvolveu uma metodologia de modelagem 3-D paramétrica para imitar a geometria de escalas individuais. Eles montaram unidades de escala individuais em substratos planos ou curvos, onde os tamanhos das escalas, orientações, e geometrias também podem ser variadas, e usou a impressão 3-D para fabricar os modelos de blindagem em escala bioinspirados.
"Produzimos a montagem de escala inspirada em escala de chiton diretamente com a impressão multimaterial 3-D, que consiste em escamas muito rígidas no topo de um substrato flexível, "Li explicou. Com esses protótipos físicos de geometrias e tamanhos de espécimes controlados, a equipe conduziu testes mecânicos diretos neles com condições de carregamento controladas. Isso permitiu aos pesquisadores compreender os mecanismos por trás do desempenho de flexibilidade de proteção dupla do sistema de armadura biológica.
A forma como a armadura de escala funciona é que, quando em contato com uma força, as escamas convergem para dentro umas das outras para formar uma barreira sólida. Quando não está sob força, eles podem "mover-se" um sobre o outro para fornecer níveis variáveis de flexibilidade, dependendo de sua forma e posicionamento.
“A força vem de como as escalas são organizadas, de sua geometria, "Li disse." Reza's [Mirzaeifar, a equipe do professor assistente de engenharia mecânica] fez um trabalho incrível usando modelagem computacional para revelar ainda mais como a armadura de escala torna-se interligada e rígida quando a carga externa atinge um valor crítico. "
Professor assistente de engenharia mecânica Ling Li, direito, com alunos de doutorado Ting Yang, deixou, e Zhifei Deng, Centro. Crédito:Virginia Tech
O design da armadura específica do local leva em consideração o tamanho das escalas usadas. Escalas menores, como aqueles em torno da cintura do quíton, são mais úteis para regiões que exigem flexibilidade máxima, enquanto escalas maiores são usadas para áreas que requerem mais proteção. "Trabalhando com Reza, nosso próximo passo é expandir o espaço para que possamos projetar armaduras sob medida para diferentes locais do corpo.
A flexibilidade versus as necessidades de proteção do tórax, por exemplo, será diferente do cotovelo ou joelho, então precisaríamos projetar a montagem da escala de acordo com a geometria da escala, Tamanho, orientação, etc. "
O trabalho apresentado começou com financiamento do Departamento de Defesa, quando Li era um assistente de pesquisa graduado no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Desde que ele chegou à Virginia Tech em 2017, o trabalho continuou sem patrocínio como parte de seu financiamento inicial.
"Começamos com uma motivação bastante pura - em busca de materiais biológicos multifuncionais, "Li disse." Queríamos integrar flexibilidade e proteção e isso é muito difícil de conseguir com sistemas sintéticos. Continuaremos com nossa pesquisa para explorar o espaço de design além do sistema do modelo biológico original e realizar testes em diferentes condições de carga. "
Li admite o processo, que levou vários anos, é longo, mas o trabalho é único na forma como eles o abordaram desde o início como um processo de duas etapas na condução da pesquisa de materiais biológicos fundamentais seguida pela pesquisa bioinspirada.
"Ter esse nível de familiaridade com o assunto tem sido muito útil para o projeto e modelagem da armadura, "Disse Li." Acho que este tipo de armadura bioinspirada representará uma melhoria significativa em relação ao que está disponível atualmente. "
