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Metamateriales inspirados en esponjas reducen vibraciones y aumentan la resistencia
UC Berkeley y Harvard usaron la geometría de una esponja de aguas profundas para diseñar metamateriales que aumentaron la carga de pandeo en alrededor de un 140% y redujeron el desprendimiento de vórt
Imagen: TechXplore
Una esponja de vidrio de aguas profundas ha inspirado una nueva clase de metamateriales capaces de hacer dos cosas que los ingenieros suelen tener que sacrificar: ser ligeros y resistentes a la vez que manejan el flujo de fluidos sin provocar vibraciones dañinas.
Investigadores de UC Berkeley y de la Universidad de Harvard informaron en Nature Communications que construyeron un marco de diseño automatizado que combina análisis por elementos finitos (FEA), dinámica computacional de fluidos (CFD) y herramientas de optimización. Según Costas Grigoropoulos, profesor de ingeniería mecánica de UC Berkeley y co-investigador principal del estudio junto con Petros Koumoutsakos de Harvard, el sistema permite a los usuarios optimizar simultáneamente el comportamiento estructural y el fluidodinámico.
«Usando este enfoque novedoso, pudimos optimizar tanto las respuestas estructurales como las fluidodinámicas de nuestro material; algo que nunca antes se había hecho en el diseño de metamateriales.»
El modelo biológico es Euplectella aspergillum, también conocida como la cesta de la flor de Venus, una esponja de vidrio que vive por debajo de los 500 metros (1.640 pies) y puede sobrevivir durante milenios. Su esqueleto de sílice es a la vez resistente y flexible, con una geometría reticulada que le ayuda a tolerar altas presiones del agua y corrientes fuertes mientras guía el flujo alrededor y a través de la estructura.
Timon Meier, investigador de posgrado en ingeniería mecánica y coautor principal del estudio, dijo que el equipo quería una estructura que usara la menor cantidad de material posible, manteniéndose rígida y capaz de soportar cargas elevadas. En el aspecto fluidodinámico, el objetivo era evitar la vibración inducida por vórtices, donde vórtices alternos detrás de un objeto generan fuerzas oscilantes que pueden aumentar el esfuerzo y la fatiga.
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Lo que lograron los diseños inspirados en la esponja
El marco evalúa cientos de diseños posibles mediante ciclos de simulación repetidos y luego se centra en opciones que probablemente no mejoren con iteraciones adicionales. Los investigadores también imprimieron en 3D las estructuras optimizadas y las probaron experimentalmente, colaborando con el laboratorio de Simo Mäkiharju en mediciones de flujo y con el laboratorio de Rayne Zheng en la validación de propiedades mecánicas.
En promedio, los metamateriales optimizados aumentaron la carga de pandeo en alrededor de un 140% en comparación con estructuras de control seleccionadas al azar. El equipo también encontró que porosidades tan bajas como el 5% podrían reducir significativamente el desprendimiento de vórtices sin comprometer la estabilidad estructural. Un ejemplo fue un cilindro casi sólido con crestas helicoidales y apenas un 5% de área abierta, suficiente para suprimir significativamente las vibraciones.
Los investigadores afirman que el enfoque podría ser útil eventualmente para:
- elementos de soporte para estructuras oceánicas como tuberías submarinas
- stents médicos que restablecen el flujo de fluidos corporales
- aerostructuras, incluidas las alas de aeronaves y los timones de helicóptero
El artículo es «Metamateriales mecano-fluidos optimizados inspirados en esponjas de aguas profundas», de Timon Meier et al., publicado en Nature Communications (2026) con DOI 10.1038/s41467-026-72612-4.
Frontier Editor
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vía TechXplore
