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Esponjas marinhas inspiram a próxima geração de arranha-céus e pontes
fOs esqueletos vítreos de esponjas marinhas como inspiração para a próxima geração de edifícios mais fortes e altos, pontes mais longas e espaçonaves mais leves.
Por Leah Burrows, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences - 21/09/2020


O esqueleto de Euplectella aspergillum, uma esponja marinha de águas profundas. Crédito: Matheus Fernandes / Harvard SEAS

Quando pensamos em esponjas, tendemos a pensar em algo macio e macio. Mas os pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS) estão usando os esqueletos vítreos de esponjas marinhas como inspiração para a próxima geração de edifícios mais fortes e altos, pontes mais longas e espaçonaves mais leves.


Em um novo artigo publicado na Nature Materials , os pesquisadores mostraram que a estrutura esqueletal quadrada reforçada diagonalmente de Euplectella aspergillum, uma esponja marinha de águas profundas, tem uma relação resistência-peso maior do que os designs de rede tradicionais que têm usado durante séculos na construção de edifícios e pontes.

"Descobrimos que a estratégia de reforço diagonal da esponja atinge a maior resistência à flambagem para uma determinada quantidade de material, o que significa que podemos construir estruturas mais fortes e resilientes reorganizando de forma inteligente o material existente dentro da estrutura", disse Matheus Fernandes, um estudante de graduação na SEAS e primeiro autor do artigo.

"Em muitos campos, como a engenharia aeroespacial, a proporção força-peso de uma estrutura é extremamente importante", disse James Weaver, Cientista Sênior da SEAS e um dos autores correspondentes do artigo. "Esta geometria de inspiração biológica pode fornecer um roteiro para o projeto de estruturas mais leves e fortes para uma ampla gama de aplicações."

Se você já andou por uma ponte coberta ou montou uma prateleira de metal para armazenamento, viu arquiteturas de treliça diagonal. Este tipo de projeto usa muitas vigas diagonais pequenas e próximas para distribuir uniformemente as cargas aplicadas. Essa geometria foi patenteada no início de 1800 pelo arquiteto e engenheiro civil , Ithiel Town, que queria um método para fazer pontes robustas com materiais leves e baratos.

“A Town desenvolveu uma forma simples e econômica de estabilizar estruturas quadradas, que é usada até hoje”, disse Fernandes. "Ele realiza o trabalho, mas não é o ideal, levando ao desperdício ou redundância de material e um limite na altura que podemos construir. Uma das principais questões que motivaram esta pesquisa foi: podemos tornar essas estruturas mais eficientes do ponto de vista de alocação de material , em última análise, usando menos material para obter a mesma resistência? "

Felizmente, as esponjas de vidro , o grupo ao qual pertence a Euplectella aspergillum - também conhecida como Cesta de Flores de Vênus - teve uma vantagem de quase meio bilhão de anos no lado de pesquisa e desenvolvimento. Para apoiar seu corpo tubular, Euplectella aspergillum emprega dois conjuntos de suportes esqueletais diagonais paralelos, que se cruzam e se fundem a uma grade quadrada subjacente, para formar um padrão robusto semelhante a um tabuleiro de xadrez.

Renderização composta que faz a transição de um
esqueleto de esponja vítrea à esquerda para uma estrutura
à base de vergalhão soldada à direita, destacando a natureza
biologicamente inspirada da pesquisa. Crédito: Imagem
cortesia de Peter Allen, Ryan Allen e James
C. Weaver / Harvard SEAS  

"Temos estudado as relações estrutura-função em sistemas esqueléticos de esponja por mais de 20 anos, e essas espécies continuam a nos surpreender", disse Weaver.
 
Em simulações e experimentos, os pesquisadores replicaram este projeto e compararam a arquitetura do esqueleto da esponja com as geometrias de rede existentes. O design da esponja superou todos eles, suportando cargas mais pesadas sem entortar. Os pesquisadores mostraram que a estrutura paralela cruzada na diagonal melhorou a resistência estrutural geral em mais de 20 por cento, sem a necessidade de adicionar material adicional para atingir esse efeito.

"Nossa pesquisa demonstra que as lições aprendidas com o estudo de sistemas esqueléticos de esponja podem ser exploradas para construir estruturas que são geometricamente otimizadas para atrasar a flambagem, com enormes implicações para o uso aprimorado de materiais em aplicações de infraestrutura modernas", disse Katia Bertoldi, William e Ami Kuan Danoff Professor de Mecânica Aplicada no SEAS e autor correspondente do estudo.

 

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