As propriedades estruturais notáveis ​​da esponja da cesta de flores de Vênus (E. aspergillum) podem parecer braças removidas de estruturas de engenharia humana. Contudo, insights sobre como a estrutura de buracos e cristas do organismo influencia a hidrodinâmica da água do mar em sua vizinhança pode levar a projetos avançados de edifícios, pontes, veículos marítimos e aeronaves, e qualquer coisa que deve responder com segurança às forças impostas pelo fluxo de ar ou água.

Embora pesquisas anteriores tenham investigado a estrutura da esponja, tem havido poucos estudos dos campos hidrodinâmicos que circundam e penetram no organismo, e se, além de melhorar suas propriedades mecânicas, os motivos esqueléticos de E. Aspergillum fundamentam a otimização da física do fluxo dentro e fora de sua cavidade corporal.

Uma colaboração em três continentes nas fronteiras da física, biologia, e engenharia liderada por Giacomo Falcucci (da Tor Vergata University of Rome e Harvard University), em colaboração com Sauro Succi (Instituto Italiano de Tecnologia) e Maurizio Porfiri (Escola de Engenharia Tandon, New York University) aplicou super músculo computacional e software especial para obter uma compreensão mais profunda dessas interações, criando uma simulação inédita da esponja do fundo do mar e como ela responde e influencia o fluxo de água nas proximidades.

O trabalho, "Simulações extremas de fluxo revelam adaptações esqueléticas de esponjas do fundo do mar, "publicado no jornal Natureza , revelou uma profunda conexão entre a estrutura e função da esponja, lançando luz sobre a capacidade da esponja da cesta de suportar as forças dinâmicas do oceano circundante e sua capacidade de criar um vórtice rico em nutrientes dentro da "cesta" da cavidade corporal.

"Este organismo tem sido estudado muito do ponto de vista mecânico devido à sua incrível capacidade de se deformar substancialmente, apesar de sua fragilidade, estrutura de vidro, "disse o primeiro autor Giacomo Falcucci da Tor Vergata University of Rome e Harvard University." Fomos capazes de investigar aspectos da hidrodinâmica para entender como a geometria da esponja oferece uma resposta funcional ao fluido, para produzir algo especial no que diz respeito à interação com a água. "

"Ao explorar o fluxo de fluido dentro e fora da cavidade corporal da esponja, descobrimos as pegadas de uma adaptação esperada ao meio ambiente. Não só a estrutura da esponja contribui para um arrasto reduzido, mas também facilita a criação de redemoinhos de baixa velocidade dentro da cavidade do corpo que são usados ​​para alimentação e reprodução "acrescentou Porfiri, um co-autor do estudo.

A estrutura de E. Aspergillum, reproduzido pelo co-autor Pierluigi Fanelli, da Universidade de Tuscia, Itália, assemelha-se a um delicado vaso de vidro na forma de uma parede fina, tubo cilíndrico com um grande átrio central, espículas siliciosas - daí sua denominação comumente usada, "esponjas de vidro." As espículas são compostas por três raios perpendiculares, dando-lhes seis pontos. As espículas microscópicas "entrelaçam-se" para formar uma malha muito fina, o que confere ao corpo da esponja uma rigidez não encontrada em outras espécies de esponjas e permite que ela sobreviva em grandes profundidades na coluna d'água.

Para entender como as esponjas da cesta de flores de Vênus fazem isso, a equipe fez uso extensivo do computador de classe exascale Marconi100 no centro de computação de alto desempenho CINECA na Itália, que é capaz de criar simulações abrangentes usando bilhões de dinâmicas, pontos de dados temporoespaciais em três dimensões.

Os pesquisadores também exploraram um software especial desenvolvido pelo co-autor do estudo Giorgio Amati, de SCAI (Super Computing Applications and Innovation) no CINECA, Itália. O software possibilitou simulações supercomputacionais baseadas em métodos Lattice Boltzmann, uma classe de métodos computacionais de dinâmica de fluidos para sistemas complexos que representa o fluido como uma coleção de partículas e rastreia o comportamento de cada uma delas.

Os experimentos in-silico, apresentando aproximadamente 100 bilhões de partículas virtuais, reproduziu as condições hidrodinâmicas no fundo do mar onde vive E. Aspergillum. Os resultados processados ​​por Vesselin K. Krastev na Universidade Tor Vergata de Roma permitiram que a equipe explorasse como a organização de buracos e cristas na esponja melhora sua capacidade de reduzir as forças aplicadas pela água do mar em movimento (uma questão de engenharia mecânica formulada por Falcucci e Succi) , e como sua estrutura afeta a dinâmica do fluxo dentro da cavidade do corpo esponjoso para otimizar a alimentação seletiva do filtro e o encontro de gametas para a reprodução sexual (uma questão biológica formulada por Porfiri e um biólogo especialista em adaptações ecológicas em criaturas aquáticas, co-autor Giovanni Polverino do Centro de Biologia Evolutiva da Universidade da Austrália Ocidental, Perth).

"Este trabalho é uma aplicação exemplar da dinâmica de fluidos discreta em geral e do método Lattice Boltzmann, em particular, "disse o co-autor Sauro Succi do Instituto Italiano de Tecnologia e da Universidade de Harvard. Sauro Succi é internacionalmente reconhecido como um dos pais do Método Lattice Boltzmann." A precisão do método, combinado com o acesso a um dos melhores supercomputadores do mundo, tornou possível para nós realizarmos níveis de computação nunca tentados antes, que lançam luz sobre o papel dos fluxos de fluidos na adaptação dos organismos vivos no abismo. "

"Nossa investigação do papel da geometria da esponja em sua resposta ao fluxo de fluido, tem muitas implicações para o design de edifícios altos ou, realmente, qualquer estrutura mecânica, de arranha-céus a novas estruturas de baixo arrasto para navios, ou fuselagens de aviões, "disse Falcucci." Por exemplo, Haverá menos resistência aerodinâmica em prédios altos construídos com uma treliça semelhante de cristas e buracos? Vai otimizar a distribuição das forças aplicadas? Abordar essas mesmas questões é um objetivo fundamental da equipe. "