Como você se protege da arma de ataque perfeita? Você desenvolve o escudo perfeito.

Se você é um camarão mantis com um braço em forma de clibanco forte o suficiente para quebrar conchas, é melhor você não entrar em nenhuma briga com seus amigos. Mas os minúsculos crustáceos, entre as criaturas mais agressivas do oceano, não consigo resistir a dar tapas uns nos outros sobre o habitat, então eles desenvolveram um escudo especializado em seu segmento da cauda, ​​chamado telson, que absorve os golpes. O telson é uma estrutura multiescala com sulcos na parte externa e uma estrutura em forma de escada em espiral na parte interna. Está inspirando uma nova classe de peso leve, materiais resistentes ao impacto para capacetes, carros, e mais.

Pesquisa liderada por David Kisailus, o Professor Winston Chung Dotado de Inovação Energética na Faculdade de Engenharia Marlan e Rosemary Bourns da UC Riverside; e Pablo Zavattieri, um professor e bolsista da Faculdade de Engenharia Civil da Purdue's Lyles School of Civil Engineering desvendou o segredo do telson - com o objetivo de criar melhores materiais para esportes, aeroespacial, e uma infinidade de outros aplicativos.

Kisailus, cujo laboratório investiga estruturas compostas biológicas como inspiração para novos materiais, disse um artigo de Sheila Patek da Duke University sobre a capacidade do telson de absorver energia, inspirou-o a investigar o papel que os recursos arquitetônicos multiescala têm na resistência ao impacto.

Algumas espécies de camarão mantis, chamados de smashers por causa de seu poderoso clube de dáctilo, habitam cavidades em recifes de coral. A competição pelo número limitado de cavernas adequadas é feroz e os louva-a-deus usam seu telson para se proteger de golpes devastadores. Tipos menos agressivos de camarão mantis, chamados de lanceiros - após o apêndice que eles usam para esfaquear a presa - também têm um telson. Os lanceiros vivem na areia, que é abundante, e, portanto, têm menos conflitos sobre o habitat.

Kisailus, o pesquisador principal de uma bolsa multi-universitária financiada pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, e sua equipe iniciou os estudos tanto da arquitetura em grande escala quanto da estrutura interna de ambos os tipos de telson e os submeteu a testes mecânicos. Eles encontraram uma estrutura helicoidal dentro deste escudo especializado que impede o crescimento de rachaduras e, em última análise, dissipa quantidades significativas de energia de ataques para evitar uma falha catastrófica. O helicoidal, ou como madeira compensada torcida, A estrutura é semelhante àquela que os pesquisadores identificaram anteriormente no clube dáctilo do smasher, que permite quebrar conchas sem se quebrar.

"Por mais de uma década, temos estudado o clube dáctilo do tipo esmagador de camarão mantis. Percebemos que se esses organismos se chocassem com forças tão incríveis, o telson deve ser arquitetado de forma a agir como o escudo perfeito, "Kisailus disse." Descobrimos que não apenas o télson do destruidor continha a microestrutura helicoidal, mas havia significativamente mais camadas no tipo de esmagamento do que no tipo de lança. "

Zavattieri acrescentou que sempre há uma compensação entre a quantidade de material necessária para proteção e a capacidade leve para implantação rápida, conforme demonstrado pelo destruidor.

"Ter acesso a uma das arquiteturas de materiais mais eficientes, como o helicoide, em conjunto com uma geometria inteligente, torna esta outra solução vencedora encontrada pela natureza, " ele disse.

Os pesquisadores também revelaram a função de cristas altamente curvas, chamado carinae, que percorrem toda a extensão do télson no louva-a-deus esmagador, realizando testes mecânicos no télson, bem como réplicas impressas em 3D de sua estrutura.

“Quando observamos as carinas, era óbvio que eles enrijeceram o telson ao longo de seu eixo, "Kisailus disse." No entanto, descobrimos que a carina também permite que o télson se flexione para dentro quando as forças são aplicadas perpendicularmente ao seu longo eixo. Isso nos permitiu descobrir a função não óbvia dessas cristas, que deveria absorver quantidades significativas de energia durante um ataque. Os modelos de Pablo então validaram nossas hipóteses. "

Zavattieri aplicou princípios de mecânica simples e modelagem computacional para entender o papel das carinas.

"Descobrimos que essas características geométricas podem levar ao enrijecimento ou amolecimento do comportamento estrutural. Esses mecanismos concorrentes são, em princípio, contra-intuitivos, e ainda há mais a aprender com essas espécies, "Zavattieri disse." Além disso, esses princípios podem então ser aplicados a aplicações onde uma proteção leve contra impactos é necessária. "

Kisailus e sua equipe têm incorporado as descobertas no desenvolvimento de materiais altamente resistentes a impactos para uso em capacetes e outros materiais estruturais.

"É um momento muito emocionante para nós, pois nos envolvemos com várias entidades, incluindo aeroespacial, Esportes, e equipes automotivas, que estão interessados ​​em implementar esta tecnologia, "Kisailus disse." Dois dos membros da minha equipe estão atualmente trabalhando com os Laboratórios de Pesquisa da Força Aérea para tornar mais leves, materiais mais fortes. "