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Armadura flexível impressa em 3D. Crédito: Virginia Tech
As motivações para usar a biologia como inspiração para a engenharia variam de acordo com o projeto, mas para Ling Li, professor assistente de engenharia mecânica na Faculdade de Engenharia, a combinação de flexibilidade e proteção vista no molusco quíton foi toda a motivação necessária.
“O sistema que desenvolvemos é baseado no quíton, que possui um sistema de armadura biológica único”, disse Li. “A maioria dos moluscos tem uma única concha rígida, como o abalone, ou duas conchas, como as amêijoas. Mas o quíton tem oito placas mineralizadas cobrindo a parte superior da criatura e em torno de sua base possui um cinto de escamas muito pequenas montadas como escamas de peixe, que proporcionam flexibilidade e também proteção.”
O molusco quíton, que tem cerca de 2,5 a 5 centímetros de comprimento, possui uma série de oito placas grandes e é rodeado por um cinto de escamas menores e mais flexíveis. O molusco é a inspiração por trás de uma armadura impressa em 3D. Crédito: Virginia Tech
O trabalho de Li, que foi apresentou no diário Comunicações da Natureza hoje (10 de dezembro de 2019), é o resultado de uma colaboração com pesquisadores de diversas instituições, incluindo o Massachusetts Institute of Technology, o Dana-Farber Cancer Institute da Harvard Medical School, a California State University, Fullerton, o Max Planck Institute of Colóides e Interfaces, Alemanha, e o Instituto Wyss de Engenharia Biologicamente Inspirada da Universidade de Harvard.
Como o projeto mecânico das escamas do cinturão do quíton não havia sido estudado em profundidade antes, a equipe de pesquisadores precisou começar com o material básico e a análise mecânica do molusco antes de usar essas informações como bioinspiração para a pesquisa de engenharia.
“Estudamos esse material biológico de forma bastante detalhada. Quantificamos sua microestrutura interna, composição química, propriedades nanomecânicas e geometria tridimensional. Estudamos as variações geométricas das escalas em vários quítons espéciese também investigamos como as escalas se unem por meio da análise de tomografia 3D”, disse Li.
Armadura flexível impressa em 3D em vidro quebrado. Crédito: Virginia Tech
A equipe desenvolveu então uma metodologia de modelagem paramétrica 3D para imitar a geometria de escalas individuais. Eles montaram unidades de escala individuais em substratos planos ou curvos, onde os tamanhos, orientações e geometrias das escalas também podem ser variados, e usaram a impressão 3D para fabricar os modelos de armaduras em escala de inspiração biológica.
“Produzimos a montagem da escala inspirada na escala chiton diretamente com impressão 3D multimaterial, que consiste em escalas muito rígidas sobre um substrato flexível”, explicou Li. Com esses protótipos físicos de geometrias e tamanhos de amostras controlados, a equipe conduziu testes mecânicos diretos neles com condições de carga controladas. Isso permitiu aos pesquisadores compreender os mecanismos por trás do desempenho duplo de flexibilidade e proteção do sistema de armadura biológica.
A forma como a armadura de escamas funciona é que, quando em contato com uma força, as escamas convergem umas sobre as outras para formar uma barreira sólida. Quando não estão sob força, eles podem “mover-se” uns sobre os outros para fornecer diferentes níveis de flexibilidade, dependendo de sua forma e posicionamento.
Professor assistente de engenharia mecânica Ling Li, à direita, com os alunos de doutorado Ting Yang, à esquerda, e Zhifei Deng, ao centro. Crédito: Virginia Tech
“A força vem da forma como as escalas são organizadas, da sua geometria”, disse Li. “A equipe de Reza (Mirzaeifar, professor assistente de engenharia mecânica) fez um trabalho incrível ao usar modelagem computacional para revelar ainda mais como a armadura de escala se torna interligada e rígida quando a carga externa atinge um valor crítico.”
O design da armadura específica do local leva em consideração o tamanho das balanças utilizadas. Escamas menores, como aquelas ao redor do cinturão do quíton, são mais úteis para regiões que exigem flexibilidade máxima, enquanto escamas maiores são usadas para áreas que exigem mais proteção. “Trabalhando com Reza, nosso próximo passo é expandir o espaço para que possamos projetar armaduras personalizadas para diferentes locais do corpo. As necessidades de flexibilidade versus proteção do tórax, por exemplo, serão diferentes das do cotovelo ou joelho, portanto, precisaríamos projetar o conjunto da balança de acordo em termos de geometria da escala, tamanho, orientação, etc.”
O trabalho apresentado começou com financiamento do Departamento de Defesa, quando Li era assistente de pesquisa de pós-graduação no Instituto de Tecnologia de Massachusetts. Desde que chegou à Virginia Tech em 2017, o trabalho continuou sem patrocínio como parte do financiamento inicial.
“Começamos com uma motivação bastante pura – a procura de materiais biológicos multifuncionais”, disse Li. “Queríamos integrar flexibilidade e proteção e isso é muito difícil de conseguir com sistemas sintéticos. Continuaremos com nossa pesquisa para explorar o espaço do projeto além do sistema de modelo biológico original e realizar testes sob diferentes condições de carga.”
Li admite que o processo, que levou vários anos, é longo, mas o trabalho é único na forma como o abordaram desde o início, como um processo de duas etapas na condução da pesquisa fundamental de materiais biológicos, seguida pela pesquisa bioinspirada.
“Ter esse nível de familiaridade com o assunto tem sido muito útil para o design e modelagem da armadura”, disse Li. “Acho que este tipo de armadura de inspiração biológica representará uma melhoria significativa em relação ao que está disponível atualmente.”
Referência: “Projeto bioinspirado de armadura flexível baseada em escamas de quíton” por Matthew Connors, Ting Yang, Ahmed Hosny, Zhifei Deng, Fatemeh Yazdandoost, Hajar Massaadi, Douglas Eernisse, Reza Mirzaeifar, Mason N. Dean, James C. Weaver, Christine Ortiz e Ling Li, 10 de dezembro de 2019, Comunicação da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-019-13215-0