Imagine um futuro no qual os edifícios se elevem a quilômetros de altura das ruas abaixo, os turistas fazem passeios de um dia até o limite de nossa atmosfera, e várias estações espaciais podem ser vistas flutuando no céu noturno. Para tornar essa visão de ficção científica uma realidade, precisaremos criar novos tipos de estruturas que sejam leves, mas ainda fortes e resistentes.

Uma abordagem tradicional para este processo de design envolveria a criação de novos materiais, como superligas - metais que são excepcionalmente fortes e resistentes a temperaturas extremas. Esses materiais avançados nos permitiram voar mais rápido do que a velocidade do som e enviar rovers a Marte.

Contudo, não podemos simplesmente "inventar" novos elementos químicos, e há apenas um número finito de maneiras de misturar e combinar aqueles que já temos. Portanto, precisamos aprender novas maneiras de organizar os materiais disponíveis atualmente, de modo que as estruturas resultantes sejam mais fortes e resistentes do que os próprios materiais.

Agradecidamente, a natureza lutou com esse mesmo problema por centenas de milhões de anos. Ao contrário dos engenheiros, Contudo, a natureza não surge com novos arranjos, ou "projetos mecânicos, "usando equações e algoritmos de computador. Em vez disso, ele produz muitos projetos diferentes por meio de mecanismos evolutivos, como mutação genética. Então, através da seleção natural, organismos com projetos melhores muitas vezes sobrevivem àqueles com projetos piores e passam os projetos desses projetos para seus descendentes por meio de herança genética.

Este processo evolutivo pode produzir projetos mecânicos extremamente eficientes que muitas vezes não se parecem em nada com aqueles usados ​​no mundo da engenharia. Por exemplo, Estou estudando esponjas que vivem no fundo do oceano para aprender novas maneiras de fazer vigas mais fortes - as estruturas que sustentam tudo, desde nossas casas até a estrutura de nossos carros e as pontes por onde passamos.

A ciência por trás da engenharia bioinspirada

A engenharia bioinspirada se tornou um tema quente no mundo da ciência. O objetivo é primeiro entender como o projeto mecânico de uma estrutura biológica melhora seu desempenho, e então aplicar os princípios físicos subjacentes a esse design para criar novas estruturas feitas pelo homem.

Por exemplo, as cascas duras de amêijoas e ostras são feitas de aragonita, um mineral quebradiço que é o principal ingrediente do calcário. Cascas de amêijoas são resistentes porque este mineral não é empacotado aleatoriamente, mas, em vez disso, está organizado em um padrão que se parece com uma parede de tijolos microscópica. As interfaces entre os tijolos nesta parede evitam que fissuras cresçam em um caminho reto através da casca.

Simplesmente copiar e colar este design para criar uma nova estrutura feita pelo homem não nos daria necessariamente uma estrutura com a mesma resistência da concha. Em vez, a engenharia bioinspirada é um processo de várias etapas.

Primeiro, identificamos a função de uma estrutura natural. Por exemplo, a concha protege os moluscos de predadores. Próximo, quantificamos como o design dessa estrutura afeta o desempenho dessa função - neste caso, quão forte e resistente a concha é comparada à própria aragonita. Finalmente, queremos explicar a relação entre design e desempenho. Para a concha de molusco, isso significaria derivar uma equação que relaciona parâmetros como a relação de aspecto dos "tijolos" microscópicos com a resistência da casca.

O que torna as esponjas tão fortes?

Ao contrário de um macio, esponja de cozinha fofa, a esponja marinha que estudo, Euplectella aspergillum , é rígido e forte. Ele tem um esqueleto incrivelmente complexo que consiste em um complexo conjunto de fibras, conhecido como espículas, não maior do que um cabelo humano. Sua função estrutural é muito parecida com a das milhares de vigas que compõem a Torre Eiffel.

As espículas da esponja são incomuns porque são feitas quase inteiramente de vidro! Embora normalmente pensemos no vidro como um material fraco e quebradiço, as espículas são incrivelmente fortes e resistentes. Esse contraste é o que me motivou originalmente a considerar o que torna as espículas tão fortes - e como elas podem nos ensinar a fazer vigas mais fortes.

Camadas levam à força

Minha pesquisa se concentra em um grupo especializado de espículas que agem como raízes para ancorar a esponja no sedimento macio do fundo do oceano. Permanecer firmemente preso ao fundo do oceano permite que a esponja bombeie água através de seu corpo e filtre os microorganismos para comer.

Como a concha do molusco, as espículas âncora também têm um desenho mecânico microscópico. Se você abrir um, você descobrirá que o vidro da espícula é organizado em camadas concêntricas que se parecem muito com anéis de árvores. É possível que este projeto mecânico permita que as espículas da âncora se dobrem mais antes de quebrar, e, portanto, torna o acessório da esponja mais robusto.

Eu explorei essa ideia medindo o quanto as espículas da âncora podem dobrar antes de quebrar, e compará-los com espículas de outra esponja que tem a mesma composição química, mas não tem nenhuma camada. Os resultados desta experiência mostram que E. aspergillum as espículas podem dobrar cerca de 2,4 vezes mais do que as espículas sem camadas.

Desvendando o segredo para estruturas mais fortes

A próxima etapa da minha pesquisa é entender por que simplesmente organizar o vidro em camadas concêntricas tem um efeito tão grande na resistência à flexão. O plano é derivar equações que podem prever a resistência de um feixe com um certo número de camadas concêntricas e espessuras de camadas - a terceira etapa do processo de engenharia bioinspirada. Se minhas equações estiverem corretas, eles devem ser capazes de prever com precisão o aumento de força que eu medi.

Há alguns anos, fiz parte de uma equipe que desenvolveu um modelo teórico para fazer esse tipo de previsão. Contudo, as equações que compõem esse modelo prevêem que as camadas devem aumentar a resistência à flexão da espícula em apenas um máximo de 33% - muito longe do aumento de 140% que medi recentemente nas espículas reais. Essa diferença sugere que há algo faltando em nosso modelo, e que precisamos voltar e revisar essas equações.

Assim que tivermos um modelo preciso, poderíamos usar as equações para projetar como espículas, vigas em camadas que são muito mais fortes do que as estruturas de última geração de hoje. Esses feixes em camadas poderiam ser usados ​​para fazer foguetes, aviões, e habitats espaciais que são substancialmente mais leves, e, portanto, mais eficiente, do que os que usamos hoje. De certa forma, os segredos do design do fundo do oceano podem eventualmente nos ajudar a explorar novos mundos.

Este artigo foi publicado originalmente em The Conversation. Leia o artigo original.