Vire uma lagosta de costas, e você verá que a parte inferior de sua cauda é dividida em segmentos conectados por uma membrana translúcida que parece bastante vulnerável quando comparada com a carapaça em forma de armadura que protege o resto do crustáceo.

Mas os engenheiros do MIT e de outros lugares descobriram que esta membrana macia é surpreendentemente resistente, com um microscópico, em camadas, estrutura semelhante a madeira compensada que o torna extremamente tolerante a arranhões e cortes. Este filme enganosamente resistente protege a barriga da lagosta enquanto o animal foge pelo fundo do mar rochoso.

A membrana também é elástica, até certo ponto, o que permite que a lagosta chicoteie o rabo para frente e para trás, e torna difícil para um predador mastigar a cauda ou separá-la.

Essa flexibilidade pode vir do fato de que a membrana é um hidrogel natural, composto de 90 por cento de água. Quitina, um material fibroso encontrado em muitas conchas e exoesqueletos, compõe a maior parte do resto.

Os resultados da equipe mostram que a membrana da lagosta é o material mais resistente de todos os hidrogéis naturais, incluindo colágeno, peles de animais, e borracha natural. A membrana é quase tão forte quanto os compostos de borracha industrial, como aqueles usados ​​para fazer pneus de carro, mangueiras de jardim, e correias transportadoras.

A membrana resistente, porém elástica, da lagosta pode servir como um guia de design para uma armadura corporal mais flexível, particularmente para regiões altamente móveis do corpo, como cotovelos e joelhos.

"Achamos que este trabalho pode motivar o design de blindagem flexível, "diz Ming Guo, o d'Arbeloff Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "Se você pudesse fazer uma armadura com esses tipos de materiais, você pode mover livremente suas articulações, e isso faria você se sentir mais confortável. "

O artigo completo detalhando os resultados da equipe apareceu online em 14 de fevereiro na revista Acta Materialia. (O jornal postou uma prova não corrigida em 31 de janeiro). Os co-autores de Guo são Jinrong Wu e Hao Zhang, da Universidade de Sichuan, Liangliang Qu e Fei Deng da Universidade de Harvard, e Zhao Qin, que é um cientista pesquisador no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT e outro autor sênior do artigo.

Proteção flexível

Guo começou a examinar as propriedades da membrana da lagosta após um jantar com um visitante em seu laboratório.

"Ele nunca tinha comido lagosta antes, e queria experimentar, "Lembra Guo." Embora a carne estivesse muito boa, ele percebeu que a membrana transparente da barriga era realmente difícil de mastigar. E nos perguntamos por que esse era o caso. "

Embora muitas pesquisas tenham sido dedicadas às características distintivas da lagosta, concha semelhante a uma armadura, Guo descobriu que não se sabia muito sobre os tecidos mais macios do crustáceo.

"Quando as lagostas nadam, eles esticam e movem suas articulações e giram suas caudas muito rápido para escapar dos predadores, "Guo diz." Eles não podem ser inteiramente cobertos por uma casca dura - eles precisam dessas conexões mais suaves. Mas ninguém olhou para a membrana antes, o que é muito surpreendente para nós. "

Então, ele e seus colegas começaram a caracterizar as propriedades do material incomum. Eles cortam cada membrana em fatias finas, cada um deles passou por vários testes experimentais. Eles colocaram algumas fatias em um pequeno forno para secar, em seguida, mediu seu peso. A partir dessas medições, eles estimaram que 90 por cento da membrana da lagosta consiste em água, tornando-o um material de hidrogel.

Eles mantiveram outras amostras em água salgada para imitar um ambiente natural do oceano. Com alguns desses exemplos, eles realizaram testes mecânicos, colocar cada membrana em uma máquina que estica a amostra, enquanto mede precisamente a força aplicada. Eles observaram que a membrana era inicialmente flexível e facilmente esticada, até atingir cerca de duas vezes seu comprimento inicial, ponto em que o material começou a enrijecer e tornou-se progressivamente mais duro e resistente ao estiramento.

"Isso é bastante exclusivo para biomateriais, "Notas de Guo." Para muitos outros hidrogéis resistentes, quanto mais você estica, mais suaves eles são. Este comportamento de enrijecimento pode permitir que as lagostas se movam com flexibilidade, mas quando algo ruim acontece, eles podem se enrijecer e se proteger. "

Contraplacado natural de lagosta

Enquanto uma lagosta atravessa o fundo do mar, ele pode arranhar rochas abrasivas e areia. Os pesquisadores se perguntaram o quão resistente a membrana da lagosta seria a arranhões e cortes tão pequenos. Eles usaram um pequeno bisturi para arranhar as amostras de membrana, em seguida, esticou-as da mesma maneira que as membranas intactas.

"Fizemos riscos para imitar o que pode acontecer quando eles se movem na areia, por exemplo, "Guo explica." Nós até cortamos metade da espessura da membrana e descobrimos que ela ainda poderia ser esticada igualmente. Se você fez isso com compostos de borracha, eles iriam quebrar. "

Os pesquisadores então ampliaram a microestrutura da membrana usando microscopia eletrônica. O que eles observaram foi uma estrutura muito semelhante a um compensado. Cada membrana, medindo cerca de um quarto de milímetro de espessura, é composto por dezenas de milhares de camadas. Uma única camada contém um número incontável de fibras de quitina, assemelhando-se a filamentos de palha, todos orientados no mesmo ângulo, precisamente 36 graus de deslocamento da camada de fibras acima. De forma similar, compensado é normalmente feito de três ou mais camadas finas de madeira, o grão de cada camada orientado perpendicularmente às camadas acima e abaixo.

"Quando você gira o ângulo das fibras, camada por camada, você tem boa força em todas as direções, "Guo diz." As pessoas têm usado essa estrutura em materiais secos para tolerância a defeitos. Mas esta é a primeira vez que ele foi visto em um hidrogel natural. "

Liderado por Qin, a equipe também realizou simulações para ver como uma membrana de lagosta reagiria a um corte simples se suas fibras de quitina estivessem alinhadas como madeira compensada, versus em orientações completamente aleatórias. Para fazer isso, eles primeiro simularam uma única fibra de quitina e atribuíram a ela certas propriedades mecânicas, como força e rigidez. Eles então reproduziram milhões dessas fibras e as montaram em uma estrutura de membrana composta de fibras completamente aleatórias ou camadas de fibras precisamente orientadas, semelhante à membrana real da lagosta.

"É incrível ter uma plataforma que nos permite testar e mostrar diretamente como as fibras de quitina idênticas produzem propriedades mecânicas muito diferentes, uma vez que são integradas em várias arquiteturas", diz Qin.

Finalmente, os pesquisadores criaram um pequeno entalhe através das membranas aleatórias e em camadas, e forças programadas para esticar cada membrana. A simulação visualizou o estresse em cada membrana.

"Na membrana aleatória, o estresse era igual, e quando você esticou, quebrou rapidamente, "Guo diz." E descobrimos que a estrutura em camadas se esticou mais, sem quebrar.

"Um mistério é como as fibras de quitina podem ser guiadas para formar uma arquitetura única em camadas para formar a membrana da lagosta, "Qin diz." Estamos trabalhando para entender esse mecanismo, e acreditam que tal conhecimento pode ser útil para desenvolver formas inovadoras de gerenciamento da microestrutura para síntese de materiais. "

In addition to flexible body armor, Guo says materials designed to mimic lobster membranes could be useful in soft robotics, as well as tissue engineering. Se alguma coisa, the results shed new light on the survival of one of nature's most resilient creatures.

"We think this membrane structure could be a very important reason for why lobsters have been living for more than 100 million years on Earth, " Guo says. "Somehow, this fracture tolerance has really helped them in their evolution."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.