Come ti proteggi dall'arma perfetta per colpire? Sviluppi lo scudo perfetto.

Se sei una canocchia con un braccio simile a una mazza abbastanza resistente da rompere le conchiglie, faresti meglio a non litigare con i tuoi amici. Ma i minuscoli crostacei, tra le creature più esuberanti dell'oceano, non posso resistere a prenderci a pugni l'un l'altro sull'habitat, così hanno sviluppato uno scudo specializzato nel loro segmento di coda chiamato telson che assorbe i colpi. Il telson è una struttura multiscala con creste all'esterno e una struttura a forma di scala a chiocciola all'interno. Sta ispirando una nuova classe di leggerezza, materiali antiurto per caschi, macchine, e altro ancora.

Ricerca guidata da David Kisailus, il Winston Chung Endowed Professor in Energy Innovation presso il Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering di UC Riverside; e Pablo Zavattieri, un professore e uno studioso della facoltà universitaria presso la Lyles School of Civil Engineering di Purdue hanno svelato il segreto del telson, con l'obiettivo di creare materiali migliori per lo sport, aerospaziale, e una moltitudine di altre applicazioni.

Kisailus, il cui laboratorio indaga le strutture composite biologiche come ispirazione per nuovi materiali, ha detto un articolo di Sheila Patek della Duke University sulla capacità del telson di assorbire energia, lo ha ispirato a indagare sul ruolo che le caratteristiche architettoniche multiscala hanno sulla resistenza agli urti.

Alcune specie di canocchie, chiamati smashers a causa della loro potente mazza dattilo, abitano cavità nelle barriere coralline. La competizione per il numero limitato di grotte adatte è feroce e le mantidi usano il loro telson per proteggersi da colpi devastanti. Tipi meno aggressivi di canocchie, chiamati lancieri, dopo l'appendice che usano per pugnalare la preda, hanno anche un telson. I lancieri vivono nella sabbia, che è abbondante, e quindi hanno meno conflitti sull'habitat.

Kisailus, il ricercatore capo di una borsa multi-universitaria finanziata dall'Air Force Office of Scientific Research, e il suo team ha avviato gli studi sia sull'architettura su larga scala che sulla struttura interna di entrambi i tipi di telson e ha sottoposto ciascuno a test meccanici. Hanno trovato una struttura elicoidale all'interno di questo scudo specializzato che impedisce la crescita di crepe e alla fine dissipa quantità significative di energia dai colpi per evitare guasti catastrofici. L'elicoidale, o ritorto simile al compensato, la struttura è simile a quella che i ricercatori hanno precedentemente identificato nella mazza dattilo del distruttore che gli consente di rompere i conchiglie senza rompersi.

"Da oltre un decennio, abbiamo studiato la mazza dattilo del tipo strepitoso di canocchie. Ci siamo resi conto che se questi organismi si colpivano a vicenda con forze così incredibili, il telson deve essere progettato in modo tale da agire come lo scudo perfetto, " ha detto Kisailus. "Abbiamo scoperto che non solo il telson del distruttore conteneva la microstruttura elicoidale, ma c'erano molti più strati nel tipo che spaccava rispetto al tipo che lanciava."

Zavattieri ha aggiunto che c'è sempre un compromesso tra la quantità di materiale necessaria per la protezione e la capacità leggera per un rapido schieramento, come dimostrato dallo schiacciatore.

"Avere accesso a una delle architetture dei materiali più efficienti, come l'elicoide, in combinazione con una geometria intelligente, rende questa un'altra soluzione vincente trovata dalla natura, " Egli ha detto.

I ricercatori hanno anche rivelato la funzione di creste altamente curve, chiamato carinae, che percorrono la lunghezza del telson nella mantide frantumante eseguendo test meccanici sul telson e repliche stampate in 3D della sua struttura.

"Quando abbiamo osservato le carene, era ovvio che irrigidissero il telson lungo il suo asse lungo, " Kisailus ha detto. "Tuttavia, abbiamo scoperto che le carene permettevano anche al telson di flettersi verso l'interno quando le forze venivano applicate perpendicolarmente al suo asse lungo. Questo ci ha permesso di scoprire la funzione non ovvia di queste creste, che doveva assorbire quantità significative di energia durante uno sciopero. I modelli di Pablo hanno poi convalidato le nostre ipotesi".

Zavattieri ha applicato semplici principi di meccanica e modelli computazionali per comprendere il ruolo delle carene.

"Abbiamo scoperto che queste caratteristiche geometriche possono portare a un comportamento strutturale sia di irrigidimento che di rammollimento. Questi meccanismi in competizione sono in linea di principio controintuitivi, e c'è ancora molto da imparare da queste specie, — disse Zavattieri. — Inoltre, questi principi possono quindi essere applicati ad applicazioni in cui è necessaria una protezione dagli urti leggera".

Kisailus e il suo team hanno incorporato i risultati nello sviluppo di materiali altamente resistenti agli urti da utilizzare in caschi e altri materiali strutturali.

"È un momento molto eccitante per noi poiché ci siamo impegnati con più entità, compreso quello aerospaziale, gli sport, e squadre automobilistiche, che sono interessati a implementare questa tecnologia, " ha detto Kisailus. "Due membri del mio team stanno attualmente lavorando con i laboratori di ricerca dell'aeronautica per rendere più leggero, materiali più resistenti."