Os mundos animal e vegetal inspiraram os cientistas durante séculos, e os cientistas há muito se interessam em saber por que certos organismos são resilientes ao impacto. Pense no crânio e no bico de um pica-pau, na forma protetora em que as escamas de um peixe se sobrepõem, ou na casca grossa que impede que uma fruta que cai se abra.
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Uma super estrela neste campo é a concha rainha, do tipo que você pode ter segurado ao ouvido para ouvir o oceano. A concha rainha é espancada por ondas e predadores, mas a estrutura do material que compõe sua concha é incrivelmente forte. Isto é devido à estrutura da casca, que apresenta camadas de carbonato de cálcio cruzadas dispostas em diferentes orientações e separadas por proteínas mais macias, explica Markus Buehler, professor de engenharia do MIT, cujo laboratório projetou uma réplica artificial dessa estrutura que poderia ser usado em capacetes e outras armaduras de proteção e publicou os resultados na revista Advanced Materials . Tanto na concha quanto na versão feita pelo homem, o "grão" do material alterna em 90 graus, de modo que o impacto de qualquer direção em particular dificilmente passará por ele.
"Não apenas podemos analisar esses sistemas e modelá-los e tentar otimizá-los, mas também podemos criar materiais novos e reais com essas geometrias", diz Buehler.
Os cientistas modelaram a estrutura da concha antes, mas os avanços na impressão 3D levaram a equipe de Buehler a ser capaz de reproduzi-la. A inovação crucial foi uma extrusora (o bocal pelo qual o material flui) capaz de emitir polímeros múltiplos mas relacionados, um que é muito rígido e outro mais maleável, para replicar as camadas de carbonato de cálcio e proteína do invólucro. Como os polímeros são semelhantes, eles podem ser colados sem cola, tornando-os menos propensos a se separar. Nos testes - que são realizados com a queda de 5, 6 quilos de pesos de aço em diferentes velocidades nas folhas do material - a estrutura cruzada mostrou um aumento de 85% na energia que poderia absorver, em comparação com o mesmo material sem ela.
Pode parecer simples projetar coisas com base na natureza, mas há muito mais a considerar do que simplesmente copiar um objeto diretamente, aponta o professor de engenharia mecânica da Universidade de Indiana-Purdue University em Indianápolis, Andreas Tovar. Tovar, que não era afiliado ao estudo do MIT, também trabalha com estruturas de proteção bio-inspiradas, como um projeto de carro baseado em uma gota de água e protegido por uma estrutura semelhante a uma caixa torácica.
A estrutura molecular da concha pode um dia ser usada para fazer capacetes ou coletes mais fortes. (Wikimedia Commons) "Existem duas maneiras de fazer design de inspiração biológica", diz ele. “Uma é através da observação da estrutura na natureza e, em seguida, tentando imitar essa estrutura. A segunda abordagem é imitar o processo que a natureza faz para criar uma estrutura ”. Por exemplo, a Tovar desenvolveu um algoritmo para imitar os processos celulares que constroem os ossos humanos, um exemplo da segunda abordagem. Buehler, em contraste, começou com o material maior, ou estrutura em nível de órgão, da concha da rainha e perguntou como recriar essa estrutura com materiais feitos pelo homem.
Tanto o trabalho de Tovar quanto o de Buehler envolvem discernir quais partes da estrutura são instrumentais para sua função e quais são vestígios de diferentes pressões evolucionárias. Ao contrário de um organismo vivo, um capacete bioinspirado, por exemplo, não precisa incluir funções biológicas como respiração e crescimento.
“Uma peça fundamental é que o [laboratório de Buehler] replica a complexidade hierárquica encontrada na natureza, diz Tovar. “Eles são capazes de fabricar usando métodos de fabricação aditiva. Eles testam, e eles vêem este aumento impressionante no desempenho mecânico ".
Embora Buehler tenha recebido financiamento do Departamento de Defesa, que está interessado em capacetes e coletes para soldados, ele diz que é aplicável, e possivelmente mais útil, em esportes, como capacetes de bicicleta ou futebol. "Eles poderiam ser otimizados, eles poderiam ir além dos requisitos atuais de design, que são bastante simplistas - você tem alguma espuma, você tem uma casca dura, e isso é muito bonito", diz ele.
Ainda não há capacete, diz Buehler - eles construíram o material e planejam aplicá-lo aos capacetes em seguida. E o design é importante, mesmo além do material. “Mesmo se não usarmos os materiais duros e macios que usamos aqui, aqueles que imprimimos em 3D, se você fizer a mesma coisa com outros materiais - você pode usar aço e concreto, ou outros tipos de polímeros, talvez cerâmicas - fazendo a mesma coisa, significando as mesmas estruturas, você pode realmente melhorar até mesmo suas propriedades, além do que elas podem fazer sozinhas ”, diz ele.
