Tecnología compuesta resistente y duradera inspirada en el camarón mantis

Innovación: Industria

Industrias helicoidales

2020

Imagen: Rickard Zerpe / Wikimedia Commons / CC BY SA - Reconocimiento de Creative Commons + ShareAlike

Prevenir fractura/ruptura

El impacto o la tensión de alta fuerza pueden hacer que los materiales que componen los sistemas vivos se separen en dos o más piezas (lo que se denomina fractura) o se rompan o exploten repentinamente (lo que se denomina ruptura). Por ejemplo, una vieira evita la falla estructural por fractura porque su caparazón está compuesto de dos materiales de rigidez variable. Cuando una grieta se mueve del material rígido de la vieira al menos rígido, este último reduce la fuerza en la punta de la grieta, evitando así que se extienda más.

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Armar físicamente la estructura

Los sistemas vivos usan materiales físicos para crear estructuras que sirvan como protección, aislamiento y otros propósitos. Estas estructuras pueden ser internas (dentro o adheridas al propio sistema), como membranas celulares, caparazones y pelaje. También pueden ser externos (separados), como nidos, madrigueras, capullos o redes. Debido a que los materiales físicos son limitados y la energía requerida para reunir y crear nuevas estructuras es costosa, los sistemas vivos deben usar ambos de manera conservadora. Por lo tanto, optimizan el tamaño, el peso y la densidad de las estructuras. Por ejemplo, las aves tejedoras utilizan dos tipos de vegetación para crear sus nidos: fuerte, unas pocas fibras rígidas y numerosas fibras delgadas. Combinados, forman un nido fuerte pero flexible. Un ejemplo de una estructura interna es el hueso de un pájaro. El hueso se compone de una matriz mineral ensamblada para crear fuertes soportes cruzados y una superficie exterior tubular llena de aire para minimizar el peso.

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Prevenir la deformación

Cuando un sistema vivo se somete a compresión, tensión, corte, flexión o torsión, sus fuerzas intermoleculares internas a menudo pueden resistir estas fuerzas e incluso cambiar de forma temporalmente, volviendo a la forma original cuando las fuerzas cesan. Sin embargo, si la fuerza es demasiado fuerte o dura demasiado, puede ocurrir una deformación permanente o una falla estructural que provoque la muerte. Por lo tanto, los sistemas vivos tienen estrategias para resistir la deformación o ayudar a garantizar una deformación limitada. Por ejemplo, los huesos tienen cristales delgados y fibras proteínicas que brindan fuerza y flexibilidad, protegiéndolos de las fuerzas que, de otro modo, causarían deformación en el día a día.

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Gestionar el desgaste mecánico

Un sistema vivo está sujeto a desgaste mecánico cuando dos partes se frotan entre sí o cuando el sistema vivo entra en contacto con componentes abrasivos en su entorno, como arena o coral. Algunos componentes abrasivos son una fuerza constante, como el movimiento de las articulaciones de los dedos, mientras que otros ocurren con poca frecuencia, como una tormenta de arena que se desplaza por un desierto. Los sistemas vivos se protegen del desgaste mecánico utilizando estrategias adecuadas al nivel y la frecuencia de la fuente, como tener superficies resistentes a la abrasión, piezas reemplazables o lubricantes. Por ejemplo, las articulaciones humanas como los hombros y las rodillas se mueven entre sí todo el día, todos los días. Para proteger del desgaste mecánico, un lubricante reduce la fricción entre el cartílago y la articulación.

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Gestionar el impacto

Un impacto es una fuerza elevada o un choque mecánico que se produce en un período corto de tiempo, como un martillo que golpea un clavo en lugar de una mano que empuja lentamente contra una pared. Debido a su velocidad y fuerza, los impactos no permiten que los materiales se ajusten lentamente a la fuerza, lo que puede provocar grietas, rupturas y roturas completas. Por lo tanto, los sistemas vivos tienen estrategias que pueden absorber, disipar o sobrevivir a esa fuerza sin necesidad de agregar grandes cantidades de material. Por ejemplo, el gran pico del tucán Toco es muy liviano, pero puede soportar impactos porque está hecho de un material compuesto con espuma rígida en el interior y capas de un material duro y fibroso en el exterior.

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La tecnología helicoidal utiliza un diseño helicoidal innovador para aumentar la resistencia y la dureza utilizando menos materiales.

Beneficios

Reducción de residuos
Reducción de las emisiones de CO2
Mayor resistencia

Aplicaciones

Elaboración
Energías renovables
Automóviles
Aviación

Objetivos de desarrollo sostenible de la ONU abordados

Objetivo 9: Innovación e infraestructura de la industria
Objetivo 11: Ciudades y comunidades sostenibles
Objetivo 12: Producción y Consumo Responsables

El Desafío

La industria de los materiales compuestos siempre está buscando formas de aumentar el rendimiento para reducir la cantidad de materias primas utilizadas y fabricar productos más resistentes y livianos. Por ejemplo, duplicar la longitud de las palas de una turbina eólica cuadruplicaría la producción de energía, reducir el peso de los automóviles en un 10 % puede resultar en una mejora del ahorro de combustible del 6 al 8 %, y los aviones más livianos reducirían los costos de combustible y disminuirían la huella de carbono de una aerolínea.

Detalles de la innovación

La tecnología Helicoid™ imita la estructura 'helicoide' que se encuentra en el club de camarones mantis increíblemente fuerte y liviano. Al incorporar este diseño en materiales compuestos, las empresas pueden crear productos con peso reducido, mayor resistencia, mayor tenacidad y mejor resistencia al impacto, todo mientras reducen los costos de materiales. La tecnología funciona a la perfección con los procesos de fabricación existentes, lo que permite que cualquier industria de compuestos use menos material mientras fabrica un producto más resistente.

Vea cómo Helicoid Industries se inspiró en el camarón mantis para hacer mejores compuestos.

Modelo biologico

El camarón mantis "aplastador" desarrolló una arquitectura interna para proteger el garrote con forma de martillo que utiliza para pulverizar a sus presas. El palo se mueve a velocidades más rápidas que una bala calibre .22 sin sufrir daños en su exoesqueleto de quitina. Su secreto está en la arquitectura del club, con capas de quitina cada una compensada unos 15 grados. Esta arquitectura "helicoide" evita que las grietas se expandan, minimiza la propagación de daños y, en última instancia, disipa cantidades significativas de energía de los impactos para evitar fallas catastróficas.

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Ray of Hope Prize

El Ray of Hope Prize® celebra las soluciones inspiradas en la naturaleza que abordan los mayores desafíos ambientales y de sustentabilidad del mundo. Creado en honor a Ray C. Anderson, fundador de Interface, Inc. y líder empresarial y de sustentabilidad, el premio de $100,000 Ray of Hope Prize ayuda a las empresas emergentes a cruzar un umbral crítico para convertirse en negocios viables al ampliar sus historias y proporcionarles financiamiento sin capital. El premio arroja luz sobre las soluciones innovadoras inspiradas en la naturaleza que necesitamos para construir un mundo sostenible y resistente. Helicoid Industries fue seleccionado como finalista para el 2020 Ray of Hope Prize.

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