Encontrar inspiración arquitectónica en el esqueleto cristalino de una esponja marina

En el fondo del Océano Pacífico, grupos cilíndricos de la esponja de vidrio Euplectella aspergillum sobresalen hacia arriba como rascacielos en las profundidades del mar. Algunos albergan camarones diminutos, para quienes una esponja de 11 pulgadas es esencialmente un rascacielos. Y el esqueleto de vidrio de la esponja es sin duda una hazaña de la arquitectura, que comprende una celosía geométrica que le da a la esponja la ilusión de estar envuelta en encaje. Sin embargo, es duraderamente resistente, capaz de permanecer enraizado en el fondo del mar y las corrientes meteorológicas sin romperse ni astillarse.

Tales superpoderes estructurales dejan a muchos científicos ansiosos por desentrañar los secretos que contiene esta esponja cristalina. Las respuestas podrían resolver problemas de ingeniería, como cómo diseñar un edificio alto que no se derrumbe con vientos fuertes. Un estudio publicado el miércoles en el Journal of the Royal Society Interface revela cómo las crestas en el esqueleto de la esponja suprimen un fenómeno destructivo llamado desprendimiento de vórtices, que puede causar daños catastróficos a estructuras como chimeneas y chimeneas.

“Estos trabajos apoyan la idea de que las propiedades dinámicas de fluidos de las esponjas de vidrio podrían no ser menos notables que sus características estructurales”, escribió en un artículo Giacomo Falcucci, ingeniero mecánico de la Universidad Tor Vergata de Roma, que no participó en la investigación. Email.

Bajo el tejido blando de la esponja de vidrio, un esqueleto tubular protege y sostiene al animal. El esqueleto central comprende haces de formas necesarias llamadas espículas que están orientadas vertical, horizontal y diagonalmente y fusionadas en una estructura de celosía que se asemeja un poco a un tablero de ajedrez. Rodeando esta celosía, sobresalen crestas helicoidales en sentido horario y antihorario que se asemejan a una serie de escaleras de incendios que se enrollan alrededor de la esponja tubular y debajo de su tejido. En conjunto, las crestas parecen un laberinto.

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“Tiene este sistema muy denso y altamente consolidado”, dijo James Weaver, científico senior de la escuela de ingeniería y ciencias aplicadas de la Universidad de Harvard y autor del nuevo artículo. El estudio también fue dirigido por Katia Bertoldi y Matheus Fernandes, investigadores de la misma escuela.

El Dr. Weaver comenzó a estudiar Euplectella aspergillum a principios de la década de 2000. Primero se centró en los esqueletos de esponjas, investigando sus diversas estructuras y propiedades mecánicas.

Para este artículo, los investigadores estudiaron la esponja desde una perspectiva hidrodinámica: cómo actuaban los fluidos y cómo se movían alrededor de su esqueleto.

Siguieron esta pregunta después de notar que las crestas de la esponja tenían un extraño parecido con las tracas helicoidales, protuberancias en forma de crestas que a menudo se usan para proteger la integridad estructural de las torres y otros cilindros. Cuando un fluido como el aire se mueve alrededor de un cilindro suave, los vórtices se desprenden alternativamente de un lado al otro en el lado del cilindro a favor del viento. Estos vórtices alternos pueden hacer que el cilindro vibre, lo que genera ruidos y problemas de seguridad. En la arquitectura humana, las tracas helicoidales suprimen los vórtices al interrumpir el flujo alrededor de la estructura.

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Para comprender si las crestas externas de la esponja de vidrio ofrecían un beneficio hidrodinámico similar, los investigadores crearon una serie de modelos mecánicos y computacionales para visualizar cómo la anatomía de la esponja afecta el flujo de los fluidos circundantes.

Sus modelos mostraron que el laberinto de crestas de la esponja eliminó por completo el desprendimiento de vórtices. “Lo que encontramos en la estructura de la esponja es que es capaz de suprimirla por completo, en lugar de simplemente retrasarla o disminuirla”, dijo Fernandes. Una aplicación obvia de la nueva investigación sería diseñar tracas helicoidales inspiradas en esponjas.

Los autores plantean la hipótesis de que este esqueleto altamente complejo ayuda a mantener la esponja anclada en los sedimentos blandos del lecho marino, que podrían ser excavados por los vórtices giratorios. “La esponja se podría apoyar”, dijo el Dr. Weaver.

“Este esqueleto de esponja fascina a los científicos de materiales”, escribió en un correo electrónico Sally Leys, zoóloga de invertebrados de la Universidad de Alberta que no participó en la investigación. “Sin embargo, un gran sin embargo, siempre descuidan los tejidos del animal”.

A diferencia de investigaciones anteriores que examinaron solo el esqueleto de la esponja, el nuevo artículo incluye varios modelos que intentan reconstruir el tejido blando y poroso de una esponja viva.

A los ojos del Dr. Leys, algunos de los modelos del nuevo papel que muestran el flujo a través de una esponja porosa no son realistas. “El agua no se mueve a través de una esponja de vidrio de forma pasiva”, dijo el Dr. Leys. “Ellos controlan el flujo”.

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Las esponjas oceánicas usan una bomba interna para canalizar el agua a aberturas de tamaño nanométrico donde se intercambian alimentos y oxígeno y se excretan los desechos, y luego el agua sale por otros poros y finalmente sale por la parte superior de la esponja, explicó el Dr. Leys.

El Dr. Leys también descubrió que la cantidad de flujo que los investigadores eligieron simular alrededor de la esponja era “tremendamente irreal”, porque era mucho mayor que el flujo más alto que jamás experimentaría una Euplectella viva, dijo.

Los investigadores admitieron que no todos sus modelos fueron diseñados para reflejar una esponja viva en la naturaleza. Más bien, simularon altos niveles de flujo para demostrar la utilidad potencial de la estructura de la esponja para la ingeniería.

Al Dr. Leys le preocupa que los modelos puedan ser engañosos. “La biología real de estos animales exóticos debe ser considerada mucho más por los científicos de materiales”, dijo.

Aunque las cualidades precisas de supresión de vórtices de las esponjas de vidrio vivas pueden seguir siendo un misterio, los resultados de los investigadores arrojan luz sobre el uso del esqueleto interno como un sustituto de las estructuras hechas por humanos.

“Es importante darse cuenta del poder de inspirarse en la naturaleza”, dijo Fernandes.

En un futuro así, nuestras chimeneas terrestres podrían comenzar a parecerse mucho más a una bulliciosa metrópolis camaronera en las profundidades del mar.