Le spugne marine ispirano la prossima generazione di grattacieli e ponti

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 realizzare edifici più forti e più alti, ponti più lunghi e veicoli spaziali più leggeri.

In un nuovo articolo pubblicato su Nature Materials, i ricercatori hanno dimostrato che la struttura scheletrica reticolare quadrata rinforzata diagonalmente di Euplectella aspergillum, una spugna marina di acque profonde, ha un rapporto forza-peso più elevato rispetto ai tradizionali modelli reticolari che hanno utilizzato da secoli nella costruzione di edifici e ponti.

“Abbiamo scoperto che la strategia di rinforzo diagonale della spugna raggiunge la massima resistenza all’instabilità per una data quantità di materiale, il che significa che possiamo costruire strutture più forti e più resilienti riorganizzando in modo intelligente il materiale esistente all’interno della struttura”, ha detto Matheus Fernandes, uno studente laureato presso SEAS e primo autore dell’articolo.

“In molti campi, come l’ingegneria aerospaziale, il rapporto forza-peso di una struttura è di fondamentale importanza”, ha affermato James Weaver, Senior Scientist presso SEAS e uno degli autori corrispondenti dell’articolo. “Questa geometria di ispirazione biologica potrebbe fornire una tabella di marcia per la progettazione di strutture più leggere e più resistenti per un’ampia gamma di applicazioni”.

Le spugne di vetro sono il futuro nel mondo dell’edilizia

Le architetture reticolari diagonali non sono nuove nell’ambito dell’edilizia. Questo tipo di progettazione utilizza molte piccole travi diagonali ravvicinate per distribuire uniformemente i carichi applicati. Questa geometria è stata brevettata all’inizio del 1800 dall’architetto e ingegnere civile, Ithiel Town, che desiderava un metodo per realizzare ponti robusti con materiali leggeri ed economici.

“La città ha sviluppato un modo semplice ed economico per stabilizzare le strutture reticolari quadrate, che viene utilizzato ancora oggi”, ha affermato Fernandes. “Svolge il lavoro, ma non è ottimale, portando a materiale sprecato o ridondante e un limite all’altezza che 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?”

Fortunatamente, le spugne di vetro , il gruppo a cui appartiene l’Euplectella aspergillum, 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 sono fusi a una griglia quadrata sottostante, per formare un robusto motivo a scacchiera. “Studiamo le relazioni struttura-funzione nei sistemi scheletrici delle spugne da più di 20 anni e queste specie continuano a sorprenderci”, ha detto Weaver.

L’architettura scheletrica della spugna marina ha superato in resistenza tutte le geometrie esistenti

In simulazioni ed esperimenti, i ricercatori hanno replicato questo progetto e confrontato l’architettura scheletrica della spugna con le geometrie reticolari esistenti. Il design in spugna ha superato tutti, sopportando carichi più pesanti senza deformarsi. I ricercatori hanno dimostrato che la struttura parallela incrociata diagonale accoppiata ha migliorato la resistenza strutturale complessiva di oltre il 20%, senza la necessità di aggiungere altro materiale per ottenere questo effetto.

“La nostra ricerca dimostra che le lezioni apprese dallo studio dei sistemi scheletrici di spugne 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”, hanno affermato Katia Bertoldi, Professore di Meccanica Applicata presso SEAS e autore corrispondente dello studio.