Resumo:
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, da Universidade de Harvard e da Universidade Politécnica de Istambul, na Turquia, desenvolveram um método de projeto de metamateriais que leva em conta a capacidade de suporte de carga e o desempenho de fluidos, com base na estrutura do esqueleto da esponja de vidro do fundo do mar "Euplectella aspergillum". A investigação, publicada na Nature Communications, centra-se não na replicação da esponja em si, mas na tradução da sua geometria de grelha leve e forte em estruturas de engenharia otimizadas computacionalmente.
A moldura da Cesta Vênus é feita de sílica semelhante a vidro. As estruturas longitudinais e circunferenciais, os suportes diagonais cruzados e os padrões espirais externos juntos formam uma rede complexa, permitindo-lhe suportar a pressão e as correntes do mar profundo e guiar a água através ou ao redor do corpo. A equipa de investigação espera aprender com esta estrutura e resolver as contradições comuns no projecto de engenharia: o material deve ser o mais leve possível e utilizar a menor quantidade possível de material, ao mesmo tempo que deve ser suficientemente forte para reduzir a resistência e a vibração causada pelo vento ou pelo fluxo de água.
Para esse fim, a equipe usou análise de elementos finitos para avaliar a resistência estrutural, dinâmica de fluidos computacional para simular o fluxo e, em seguida, usou um algoritmo de otimização bayesiana multiobjetivo para selecionar e ajustar automaticamente centenas de soluções geométricas. As metas de otimização incluem aumentar a carga crítica de flambagem da estrutura e reduzir o arrasto do fluido, sustentação e flutuações de sustentação; o último está relacionado ao desprendimento de vórtices e às vibrações que ele induz. Os pesquisadores então usaram a estereolitografia para fabricar as estruturas selecionadas e verificaram os resultados da simulação por meio de experimentos de compressão e velocimetria de imagens de partículas.
Experiências mostram que, sob diferentes frações de volume de material, a carga crítica de flambagem da grade otimizada aumenta cerca de 140%, em média, em comparação com o projeto de linha de base, ao mesmo tempo em que reduz o arrasto, a sustentação e a liberação de vórtices. Por exemplo, Berkeley disse que uma estrutura cilíndrica quase sólida com uma taxa de abertura de apenas cerca de 5% e uma crista em espiral também pode suprimir significativamente as vibrações induzidas por fluidos sem sacrificar a estabilidade estrutural. Os pesquisadores afirmaram que essas melhorias vêm da otimização da geometria e não aumentam o volume do material; os valores relevantes são os resultados da comparação da estrutura experimental e do esquema de benchmark, e não significam que todos os materiais ou aplicações possam ser igualmente melhorados.
A equipe acredita que este método tem potencial para ser usado em estruturas que precisam ser leves, resistentes à carga e expostas a ambientes fluidos por um longo período, incluindo componentes de aeronaves, estruturas de suporte de dutos submarinos e stents médicos que ajudam a manter canais de fluidos no corpo. Também pode ser adequado para instalações de engenharia afetadas pelo vento, como edifícios altos. A pesquisa ainda está na fase de estrutura de projeto e verificação de protótipo, e as aplicações práticas exigem mais testes em diferentes materiais, escalas, cargas e métodos de fabricação.
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