Le motivazioni per utilizzare la biologia come ispirazione per l'ingegneria variano in base al progetto, ma per Ling Li, assistente professore di ingegneria meccanica presso il College of Engineering, la combinazione di flessibilità e protezione vista nel mollusco chitone era tutta la motivazione necessaria.

"Il sistema che abbiamo sviluppato è basato sul chitone, che ha un sistema di armatura biologica unico, " disse Li. "La maggior parte dei molluschi ha un unico guscio rigido, come l'abalone, o due conchiglie, come le vongole.

Ma il chitone ha otto placche mineralizzate che coprono la parte superiore della creatura e intorno alla sua base ha una cintura di scaglie molto piccole assemblate come squame di pesce, che forniscono flessibilità e protezione."

Il lavoro di Li, che è apparso sul giornale Comunicazioni sulla natura 10 dicembre è il risultato di una collaborazione con ricercatori di varie istituzioni, compreso il Massachusetts Institute of Technology, il Dana-Farber Cancer Institute presso la Harvard Medical School, Università statale della California, Fullerton, l'Istituto Max Planck dei colloidi e delle interfacce, Germania, e il Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard.

Poiché il design meccanico delle scaglie della cintura del chitone non era stato studiato approfonditamente prima, il team di ricercatori doveva iniziare con il materiale di base e l'analisi meccanica con il mollusco prima di utilizzare tali informazioni come bioispirazione per la ricerca ingegneristica.

"Abbiamo studiato questo materiale biologico in modo molto dettagliato. Abbiamo quantificato la sua microstruttura interna, Composizione chimica, proprietà nanomeccaniche, e geometria tridimensionale. Abbiamo studiato le variazioni geometriche delle scale attraverso più specie di chitoni, e abbiamo anche studiato come le scale si assemblano insieme attraverso l'analisi tomografia 3-D, " disse Li.

Il team ha quindi sviluppato una metodologia di modellazione 3D parametrica per imitare la geometria delle singole scale. Hanno assemblato singole unità di scala su substrati piani o curvi, dove le dimensioni della bilancia, orientamenti, e le geometrie possono anche essere variate, e ha utilizzato la stampa 3D per fabbricare i modelli di armature in scala di ispirazione biologica.

"Abbiamo prodotto l'assemblaggio della scala ispirato alla scala del chitone direttamente con la stampa multi-materiale 3D, che consiste in scaglie molto rigide sopra un substrato flessibile, " Li ha spiegato. Con questi prototipi fisici di geometrie e dimensioni controllate dei provini, il team ha condotto su di essi un test meccanico diretto con condizioni di carico controllate. Ciò ha permesso ai ricercatori di comprendere i meccanismi alla base della doppia prestazione di protezione-flessibilità del sistema di armatura biologica.

Il modo in cui funziona l'armatura a scaglie è che quando viene a contatto con una forza, le scaglie convergono l'una sull'altra verso l'interno per formare una solida barriera. Quando non è in vigore, possono "spostarsi" uno sopra l'altro per fornire quantità variabili di flessibilità a seconda della loro forma e posizione.

"La forza viene da come sono organizzate le scale, dalla loro geometria, " Disse Li. "Reza [Mirzaeifar, assistente professore di ingegneria meccanica] ha svolto un lavoro straordinario utilizzando la modellazione computazionale per rivelare ulteriormente come l'armatura in scala diventa interconnessa e rigida quando il carico esterno raggiunge un valore critico".

Il design dell'armatura specifica per il luogo tiene conto delle dimensioni delle scale utilizzate. Scale più piccole, come quelli intorno alla cintura del chitone, sono più utili per le regioni che richiedono la massima flessibilità, mentre le scale più grandi sono utilizzate per le aree che richiedono maggiore protezione. "Lavorare con Reza, il nostro prossimo passo è espandere lo spazio in modo da poter progettare armature su misura per diverse posizioni del corpo.

La flessibilità rispetto alle esigenze di protezione del torace, Per esempio, sarà diverso da quello per il gomito o il ginocchio, quindi avremmo bisogno di progettare l'assieme della scala di conseguenza in termini di geometria della scala, dimensione, orientamento, eccetera."

Il lavoro presentato è iniziato con il finanziamento del Dipartimento della Difesa quando Li era un assistente di ricerca laureato presso il Massachusetts Institute of Technology. Da quando è arrivato alla Virginia Tech nel 2017, il lavoro è continuato senza sponsorizzazione come parte del suo finanziamento di start-up.

"Abbiamo iniziato con una motivazione piuttosto pura:cercare materiali biologici multifunzionali, Li ha detto. "Volevamo integrare flessibilità e protezione e questo è molto difficile da ottenere con i sistemi sintetici. Continueremo con la nostra ricerca per esplorare lo spazio di progettazione oltre il sistema di modello biologico originale e condurre test in diverse condizioni di carico".

Li ammette il processo, che ha richiesto più anni, è lungo, ma il lavoro è unico nel modo in cui l'hanno affrontato fin dall'inizio come un processo in due fasi nel condurre la ricerca sui materiali biologici fondamentali seguita dalla ricerca ispirata alla biologia.

"Avere quel livello di familiarità con il soggetto è stato molto utile per la progettazione e la modellazione dell'armatura, ", ha detto Li. "Penso che questo tipo di armatura ispirata alla biologia rappresenterà un miglioramento significativo rispetto a ciò che è attualmente disponibile".