Quando pensiamo alle spugne, tendiamo a pensare a qualcosa di morbido e soffice. Ma i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) stanno usando gli scheletri vetrosi delle spugne marine come ispirazione per la prossima generazione di edifici più forti e più alti, ponti più lunghi, e veicoli spaziali più leggeri.

In un nuovo articolo pubblicato su Materiali della natura , i ricercatori hanno dimostrato che la struttura scheletrica a reticolo quadrato rinforzata in diagonale di Euplectella aspergillum, una spugna marina di acque profonde, ha un rapporto resistenza-peso più elevato rispetto ai tradizionali modelli a traliccio utilizzati da secoli nella costruzione di edifici e ponti.

"Abbiamo scoperto che la strategia di rinforzo diagonale della spugna raggiunge la massima resistenza alla deformazione per una data quantità di materiale, il che significa che possiamo costruire strutture più forti e più resistenti riorganizzando in modo intelligente il materiale esistente all'interno della struttura, " disse Matheus Fernandes, uno studente laureato presso SEAS e primo autore del documento.

"In molti campi, come l'ingegneria aerospaziale, il rapporto resistenza-peso di una struttura è di fondamentale importanza, " ha detto James Weaver, uno scienziato senior presso SEAS e uno degli autori corrispondenti dell'articolo. "Questa geometria ispirata alla biologia potrebbe fornire una tabella di marcia per la progettazione di più leggeri, strutture più robuste per un'ampia gamma di applicazioni."

Se hai mai attraversato un ponte coperto o hai messo insieme uno scaffale di metallo, hai visto architetture reticolari diagonali. Questo tipo di design utilizza molti piccoli, travi diagonali ravvicinate per distribuire uniformemente i carichi applicati. Questa geometria è stata brevettata all'inizio del 1800 dall'architetto e ingegnere civile, Città di Itiel, che voleva un metodo per realizzare ponti robusti con materiali leggeri ed economici.

"La città ha sviluppato un semplice, modo economico per stabilizzare strutture reticolari quadrate, che è usato fino ad oggi, " ha detto Fernandes. "Fa il lavoro, ma non è ottimale, portando a materiale sprecato o ridondante e un limite su quanto alto possiamo costruire. Una delle domande principali alla base di questa ricerca era, possiamo rendere queste strutture più efficienti dal punto di vista dell'allocazione dei materiali, in definitiva utilizzando meno materiale per ottenere la stessa forza?"

Per fortuna, le spugne di vetro, il gruppo a cui appartiene Euplectella aspergillum, altrimenti noto come Venus' Flower Basket, ha avuto un vantaggio di quasi mezzo miliardo di anni dal punto di vista della ricerca e dello sviluppo. Per sostenere il suo corpo tubolare, Euplectella aspergillum impiega due serie di montanti scheletrici diagonali paralleli, che si intersecano e si fondono in una sottostante griglia quadrata, per formare un robusto motivo a scacchiera.

"Studiamo le relazioni struttura-funzione nei sistemi scheletrici spugnosi da più di 20 anni, e queste specie continuano a sorprenderci, " disse Tessitore.

Nelle simulazioni e negli esperimenti, i ricercatori hanno replicato questo progetto e confrontato l'architettura scheletrica della spugna con le geometrie reticolari esistenti. Il design della spugna li ha superati tutti, sopportare carichi più pesanti senza instabilità. I ricercatori hanno dimostrato che la struttura parallela a diagonale incrociata accoppiata ha migliorato la resistenza strutturale complessiva di oltre il 20%, senza la necessità di aggiungere materiale aggiuntivo per ottenere questo effetto.

"La nostra ricerca dimostra che le lezioni apprese dallo studio dei sistemi scheletrici di spugna possono essere sfruttate per costruire strutture geometricamente ottimizzate per ritardare l'instabilità, con enormi implicazioni per un migliore utilizzo dei materiali nelle moderne applicazioni infrastrutturali, "ha detto Katia Bertoldi, William e Ami Kuan Danoff Professor of Applied Mechanics presso SEAS e corrispondente autore dello studio.