Las armaduras bioinspiradas son materiales que se inspiraron en la composición y, lo que es más importante, en las microestructuras que se encuentran comúnmente en los mecanismos de defensa naturales de la naturaleza. Estas microestructuras han sido desarrolladas por organismos para protegerse de fuerzas externas, como ataques depredadores. Estos materiales y sus microestructuras están optimizados para soportar grandes fuerzas. Al inspirarnos en estos materiales, podemos diseñar armaduras que tengan una mejor resistencia a la penetración y propiedades de disipación de fuerza que las que eran posibles anteriormente.
La naturaleza utiliza materiales disponibles en abundancia para desarrollar estructuras que tengan las propiedades mecánicas más eficientes. Al examinar las microestructuras producidas en la naturaleza, los científicos pueden diseñar estas estructuras con materiales más óptimos para producir la versión mecánicamente más robusta de estas estructuras. La armadura biológica/bioinspirada está específicamente destinada a producir materiales protectores mediante la optimización de los materiales defensivos naturales.
Este artículo cubrirá los tipos comunes de materiales defensivos observados en la naturaleza, cómo estas microestructuras contribuyen a las impresionantes propiedades de los materiales y cómo los científicos han utilizado este conocimiento para desarrollar nuevos materiales protectores.
El nácar es el material biológico compuesto que forma la concha de los moluscos, que se caracteriza por su gran resistencia y dureza. Las capas de nácar trabajan juntas para proteger a los organismos de cuerpo blando de las cargas externas, principalmente los ataques depredadores y las corrientes submarinas, y pueden así disipar una gran cantidad de energía durante el impacto. [1] [2]
La estructura jerárquica del nácar se ha observado en muchas escalas de longitud, desde la microescala hasta la nanoescala. En la microescala, la estructura del nácar es similar a la de un “ladrillo y mortero”: está compuesta de placas largas, delgadas y frágiles en forma poligonal unidas por un polímero blando y flexible. [1] Las tejas minerales están compuestas de aragonito , un polimorfo del carbonato de calcio , y se mantienen unidas con un polímero de quitina y proteína rica en asparagina. Las tejas de aragonito tienen un espesor de 0,5 um, mientras que la capa de biopolímero tiene 50 nm. [3] La disposición de estas tejas afecta las propiedades mecánicas del nácar. El nácar columnar se produce cuando las tabletas se apilan, creando regiones de superposición de plaquetas de aragonito. El nácar laminar se produce cuando las tabletas se disponen aleatoriamente entre capas adyacentes. Otras características en la nanoescala, como los puentes minerales y las asperezas, contribuyen a la alta resistencia a la fractura del nácar. [4]
Se ha estudiado el nácar para posibles aplicaciones en armaduras humanas. Se ha demostrado que los compuestos de nácar diseñados poseen una resistencia a la penetración balística mejorada en comparación con las armaduras monolíticas de la misma área y densidad. [5]
El caparazón de una tortuga es un biocompuesto que consta de una concha dorsal recubierta de queratina , o caparazón , y un interior plano hecho de hueso esponjoso intercalado entre capas delgadas de hueso cortical . La configuración ósea plana permite una reducción significativa del peso, lo que da como resultado una mayor rigidez, resistencia y relación dureza-peso. Este diseño hace que el caparazón sea particularmente eficaz contra ataques afilados y de alta tensión, lo que proporciona una protección vital contra depredadores como caimanes, jaguares y aves. [1] [3] [4]
El tejido colágeno blando que une las placas óseas adyacentes entrelazadas, llamadas suturas o suturas interdigitadoras, permite que una tortuga responda a una variedad de regímenes de carga diferentes. [6] Los caparazones de tortuga se consideraban polímeros biológicos antes de que se desarrollaran los polímeros sintéticos y, por lo tanto, fueron uno de los primeros análogos naturales de las primeras armaduras hechas por el hombre. [6] [1]
Una aplicación clave de las armaduras de inspiración biológica es la protección contra cargas de impacto contundente a baja velocidad. La carga de impacto contundente se refiere al contacto directo de un objeto contundente sobre un cuerpo, lo que resulta en fuerza física o trauma. [7] Implica la transferencia de energía cinética , sin penetración, y generalmente puede resultar en compresión, deformación o fractura del material. [8] Algunos ejemplos comunes incluirían lesiones deportivas (impactos que resultan en conmociones cerebrales), agresiones (puñetazos, patadas) o caídas. Muchos ejemplos en la naturaleza proporcionan a los organismos la capacidad de soportar estas cargas y, por lo tanto, proporcionan modelos para armaduras biomiméticas.
Las pezuñas bovinas y equinas son ejemplos muy estudiados de carga de impacto contundente y absorción de impactos en la naturaleza. [9] Esto se debe principalmente a que las pezuñas actúan como un absorbedor de energía natural para animales como caballos y ganado con patrones de marcha de alta fuerza y velocidad.
Estructura
Tanto los cascos bovinos como los equinos están hechos de la proteína α-queratina . [11] La α-queratina es una proteína estructural y fibrosa , la misma que se encuentra en nuestro cabello y uñas. Las moléculas de queratina se mantienen unidas por enlaces de H y enlaces cruzados disulfuro, que mejoran la rigidez de la proteína. [12] Las cadenas de α-queratina se retuercen para formar dímeros en espiral . Los dímeros en espiral se unen con otros dímeros en espiral para producir fotofilamentos, que a su vez se unen para formar una fotofibrilla y, finalmente, un filamento intermedio (IF). [11] Dentro de la pared exterior del casco, hay estructuras tubulares orientadas paralelas a la pata (220x140 um, 50 um de cavidad medular). [11] Los filamentos intermedios de queratina están organizados como láminas circulares que rodean estos túbulos.
Propiedades
Muchas de las propiedades mecánicas asociadas con los cascos se deben a la presencia de túbulos . Las capas de túbulos con sus alrededores de queratina lamelar proporcionan una excelente deflexión de grietas y tenacidad a la fractura. [11] [12] Cuando se introduce una grieta en un material, continuará propagándose hasta que llegue a una nueva interfaz. Los cascos tienen capas de IF de queratina que rodean cada túbulo, cada uno en orientaciones ligeramente cambiantes, creando múltiples interfaces en las que la grieta "chocará", y por lo tanto hace que el casco sea un material altamente resistente a las fracturas. La alta alineación y densidad de fibras de queratina, así como la orientación longitudinal de los túbulos, ayudan con la absorción de energía de la carga contundente. [12] Finalmente, la matriz intratubular dentro de los túbulos de los cascos es menos rígida y densa que la que la rodea, lo que reduce el peso del casco. [11] [12] Todas estas propiedades ayudan a los cascos a soportar grandes cargas de compresión e impacto al mismo tiempo que proporcionan absorción de impacto, y dan lugar a modelos de carga de impacto prometedores.
Los cuernos, como los que se encuentran en las cabras , los búfalos y los rinocerontes , son otra estructura basada en queratina que puede servir de inspiración para la armadura biológica. [12] Dado que los cuernos sirven como mecanismo de defensa para estos animales, estas estructuras son capaces de soportar impactos significativos.
Estructura
El cuerno tiene una estructura muy similar a la de la pezuña, ya que ambos están compuestos de α-queratina. La estructura de estos tipos de cuernos implica una estructura de queratina laminar, con microtúbulos orientados radialmente. [12] Estos túbulos son mucho más grandes que los que se encuentran en las pezuñas, con dimensiones exactas que dependen de la especie, pero también están rodeados por láminas de queratina IF. Esto le da a los cuernos la capacidad de mantener la rigidez en tensión mientras que al mismo tiempo disipan la energía cinética de las fuerzas de compresión y el impacto. [12]
Propiedades
Dada la estructura extremadamente similar de los cuernos a las pezuñas, comparten muchas propiedades similares. Una de esas propiedades es la deflexión de grietas y la tenacidad a la fractura. Nuevamente, la jerarquía laminar en capas de queratina que rodea los túbulos crea muchas interfaces para que las grietas se encuentren. Un estudio encontró que la longitud crítica de grieta para el cuerno era del 60%, lo que significa que una grieta tendría que extenderse a través del 60% de la dirección transversal de un cuerno antes de que se volviera crítica, lo que muestra una tenacidad extremadamente alta. [14] El cuerno también tiene una absorción de energía extremadamente alta y la capacidad de soportar estrés. Esto se atribuye a la orientación de los túbulos y la densidad de la fibra de queratina; exclusiva de ciertos animales, la geometría espiral del cuerno también permite una mayor absorción de energía. [14] Específicamente para los borregos cimarrones , los estudios encontraron que sus cuernos tenían una tensión de compresión de 4,0 MPa, una tensión de tracción de 1,4 MPa y una fuerza de combate de 3400 N. [14] Obviamente, la tensión de compresión es mucho mayor que la tensión de tracción, pero, como ocurre con muchos otros materiales anisotrópicos , esto se debe a que un animal como el borrego cimarrón, que utiliza sus cuernos para luchar, tendrá más probabilidades de experimentar tensión de compresión e impactos contundentes en lugar de tensión. Por último, al igual que las pezuñas, los cuernos son extremadamente resistentes, pero también ligeros, debido a la matriz intratubular más ligera y menos densa.
Además del nácar y la caracola, el exoesqueleto de los crustáceos y el hueso cortical son otras estructuras biológicas que poseen características complejas que pueden ser beneficiosas para la protección balística y los impactos contundentes de baja velocidad.
Estructura
El exoesqueleto de los crustáceos como el cangrejo está hecho de quitina , que es un polímero de polisacárido amino. [16] Un polímero de polisacárido se deriva de un aminoazúcar , un tipo de azúcar donde el grupo hidroxilo se reemplaza con un grupo amina . [17] Las fibras de quitina están incrustadas en una matriz de calcita . [16] El exoesqueleto de los crustáceos, como muchos de los otros modelos discutidos anteriormente, es jerárquico. Comienza con las fibras de polímero de quitina dispuestas en un patrón de panal. [16] Estos planos de "panal" luego se apilan en un patrón de Bouligand, que consiste en varios planos giratorios en capas. [16] Esto constituye la capa interna, endocutícula del exoesqueleto de los crustáceos y representa el 90% del exoesqueleto total. [18] La capa externa de la exocutícula contiene capas de quitina más densamente empaquetadas que terminan teniendo un espesor de 200 μm. [18] El grosor de las capas exocutícula y endocutícula varía en diferentes partes de los crustáceos. [15]
Propiedades
Una propiedad mecánica importante del exoesqueleto de los crustáceos es su alta tenacidad y rigidez. Esto se atribuye a la capa de exocutícula gruesa y densamente estratificada. [16] El mapeo de rayos X por dispersión de energía descubrió que la capa de exocutícula tiene una mayor mineralización de calcita en su matriz, lo que aumenta la "dureza" del material. [19] La capa de endocutícula del exoesqueleto es responsable de la absorción de energía y las propiedades de deflexión de grietas. Esta capa tiene una densidad de apilamiento mucho menor de las capas de polímero de quitina que la capa de exocutícula. [19] Esto significa que cuando se coloca bajo fuerzas de compresión, es capaz de disipar la carga. Como se mencionó en la pezuña y el cuerno, el patrón de Bouligand proporciona varias interfaces para que las grietas se introduzcan, lo que crea una alta deflexión de grietas. En general, la combinación de la exocutícula dura y rígida y la endocutícula compresible que absorbe la energía crea una estructura que es extremadamente difícil de penetrar y sirve como un buen modelo tanto para aplicaciones de impacto contundente como de choque balístico.
Estructura
La caracola es un tipo de concha compuesta de material compuesto de carbonato de calcio que tiene una estructura laminar de tres órdenes. [1] El primer orden contiene placas cerámicas de 5 a 60 μm de espesor. [1] [20] El segundo orden consta de vigas cerámicas en dos orientaciones diferentes de 45º, de aproximadamente 5 a 30 μm de espesor, y el tercer orden está formado por miles de diminutas planchas cerámicas, de 75 a 100 nm de espesor. [20]
Propiedades
Las capas laminares que forman la concha de caracol proporcionan una fuerte propagación de grietas. Esta estructura también le da a la concha de caracol varios modos de fractura, que actúan como mecanismos de endurecimiento cuando se someten a diferentes cargas. [20] La fractura de modo 1, que implica una carga ortogonal al plano de la grieta, existe en las láminas de tercer orden debido a la delaminación de las capas. [20] La fractura de modo 2, que implica una carga paralela al plano de la grieta, también existe entre las láminas de tercer orden y causa un efecto de pandeo . [20] Las pruebas de compresión y flexión mostraron que la concha de caracol era altamente anisotrópica. Se encontró que la concha es aproximadamente 60 MPa más fuerte en carga paralela en comparación con la carga perpendicular. [20] Esto se validó a través de un análisis de Weibull para la compresión dinámica en superficies tanto paralelas como perpendiculares a la carga, se encontró que la carga paralela fallaba a tensiones de fractura más altas. [20]
La piel de los cocodrilos tiene el potencial de ser utilizada como armadura para cargas de impacto agudas porque su piel está incrustada con partículas óseas (escudos) (es decir, osteodermos ) [24] . Los osteodermos, denominados "piel acorazada", están compuestos de hidroxiapatita y colágeno , los mismos componentes que se encuentran en el hueso. Los escudos tienen una red ósea en su superficie y están conectados con las fibrillas de colágeno. Los osteodermos están presentes en reptiles (por ejemplo, lagartos, crocodilia, dinosaurios), peces y algunos mamíferos (por ejemplo, armadillos, ratones), para protegerse de los depredadores. Los escudos de los cocodrilos tienen múltiples funciones, como la termorregulación, el almacenamiento de calcio y el endurecimiento. [25] El bajo peso y la flexibilidad de los escudos se atribuyen a su porosidad (~12%), mientras que la matriz que rodea los poros les da su dureza. [25] Las pruebas de compresión indican que los escudos de cocodrilo son más fuertes en la dirección axial, con una resistencia de 67 MPa. [25] La tenacidad de los escudos se puede atribuir al aplanamiento de los poros, la formación de puentes minerales y el crecimiento de puentes de colágeno como mecanismos de disipación de energía tras la carga de impacto. [25]
Los cocodrilos también tienen polígonos muy irregulares de piel queratinizada en la cabeza y la cara, lo que ofrece protección adicional. [22] [23] Las grietas en la cabeza y la cara de la piel de los cocodrilos se generan a partir de una respuesta de agrietamiento, es decir, el “ agrietamiento del cocodrilo ” que se produce cuando se aplica tensión. Este mecanismo de agrietamiento libera energía de deformación y ayuda a que la piel mantenga su exterior duro, con una mayor flexibilidad. [22] [23]
En la naturaleza, una armadura biológica eficaz debe ser capaz de proteger al organismo y, al mismo tiempo, obstaculizar lo menos posible su funcionamiento. Para muchos organismos, el movimiento es una de sus capacidades más importantes, por lo que la armadura no puede limitar su mecánica de movimiento.
A diferencia de la estructura continua que se utiliza para proteger a los organismos estacionarios, como las conchas de las almejas, este tipo de armaduras suelen estar compuestas por muchas estructuras separadas para permitir la elongación y la contracción necesarias para el movimiento, manteniendo al mismo tiempo una protección completa. [26] Hay dos clases principales de armaduras biológicas que se encuentran en la naturaleza: las armaduras de escamas y las armaduras de osteodermo. Ambas armaduras biológicas tienen microestructuras y macroestructuras especializadas que producen las impresionantes propiedades de estos materiales.
La armadura de escamas es la armadura más ampliamente expresada en la naturaleza. [27] Se ve principalmente en animales acuáticos; sin embargo, también se ve en algunos animales terrestres como los pangolines. Esta armadura es conocida por su impresionante flexibilidad, así como por su impresionante resistencia a la compresión y a la perforación. [27] Hay muchas subcategorías de escamas de peces, pero las tres principales son elasmoides, ganoides y placoides. Estos tipos de escamas se distinguen por sus propiedades mecánicas , forma geométrica y alineaciones macroscópicas. Los elasmoides son las típicas escamas de forma ovalada que se encuentran en los peces con aletas radiadas. [27] Estas escamas son conocidas por su ultraligereza, resistencia a la perforación y flexibilidad que permite los movimientos de propulsión necesarios para nadar. [27] Las escamas ganoideas tienen forma romboidal y exhiben una rigidez mejorada, que se debe a su capa más gruesa de material mineralizado. [28] Por último, las escamas placoides son más conocidas por su forma. Tienen espinas que corren contra el patrón de la escama, lo que produce una sensación aguda o áspera al tacto. [27] Estas escamas se encuentran en animales como tiburones y mantarrayas.
Estructura
La resistencia de las escamas elasmoides frente a las cargas de fuerza es significativa debido a su macroestructura. La macroestructura se compone de su posicionamiento, forma y características de las escamas. Las escamas elasmoides tienen forma ovalada, tres cuartas partes de las cuales están cubiertas por escamas vecinas. [27] Esta superposición no solo permite el movimiento del organismo manteniendo una cobertura completa, sino que también ayuda a la resistencia a la fuerza de compresión. [27] Cuando las escamas se cargan con una fuerza de compresión, se distribuye entre todas las escamas vecinas. [27] A medida que estas escamas se doblan entre sí, en la carga de compresión o en el movimiento natural, las escamas exhiben un efecto de endurecimiento del material. Esto permite que cada escama se produzca por debajo de la rigidez requerida para proteger contra un ataque, sin embargo, cuando se unen en un patrón superpuesto, el material puede resistir grandes fuerzas de compresión. [27] Esta es una estructura que este diseño de armadura utiliza para mantener el peso ligero.
Otro sistema macroscópico importante de las escamas elasmoides son las características físicas de las escamas. Las escamas tienen ranuras que van desde el punto focal de la escama hacia el borde, conocidas como radios, así como anillos alrededor del punto focal en un patrón concéntrico, conocidos como círculos. [29] Se ha planteado la hipótesis de que tanto los radios como los círculos ayudan en los mecanismos de flexión de la escama, así como en el anclaje de la escama en la dermis. [29]
Las estructuras a macroescala de las escamas son de gran importancia para la función de las armaduras; sin embargo, las microestructuras le dan a los materiales sus impresionantes propiedades. Estas escamas están hechas de materiales compuestos. [27] Estas son matrices proteicas mineralizadas que permiten la resistencia y dureza del mineral al tiempo que reducen los efectos frágiles de estos materiales con componentes proteicos. [28] En la escama elasmoide hay tres capas principales. [29] La capa limitante, que es la capa más externa; la capa externa de elasmodina y las capas internas de elasmodina que se definen por su nivel de mineralización. [29]
La capa limitante se encuentra justo en la superficie de la escala, donde es la primera línea de defensa contra la punción. [29] Esta capa varía su espesor dependiendo de dónde se encuentra en la escala, así como de qué escala de especie se trata. [29] Por lo general, tiene un espesor de 10 a 1000 micrómetros. [29] La capa limitante también adopta varias formas dependiendo de si es posterior o anterior en la escala. [29] La capa limitante posterior comúnmente forma estructuras de pilares variables que se supone que son para funciones variables de interfaz de agua, mientras que la porción anterior se forma más comúnmente en la forma de círculos discutida anteriormente. [29] La sección transversal de la región anterior muestra una forma de diente de sierra. Se supone que esto ayuda con la integración dérmica. [29]
Este material compuesto es casi completamente apatita mineral con pequeñas cantidades de colágeno. [29] Entre las distintas especies de peces, los investigadores notaron una sustitución de carbonato en la estructura de la apatita. [29] La estructura de este material está bien desarrollada para su aplicación. Esta capa de escamas debe ser resistente y rígida para ayudar a defenderse de las perforaciones, lo que explica el alto nivel de minerales en esta capa. El porcentaje de volumen de apatita en la capa limitante fue de alrededor del 65%. [29]
Debajo de la capa limitante hay una placa basal más gruesa compuesta de fibrillas de colágeno más grandes, llamada capa de elasmodina. [27] La capa de elasmodina se divide en elasmodina externa y elasmodina interna, que se distinguen por la diferencia en su contenido mineral dentro del material compuesto. [27] La capa externa contiene una mayor concentración del componente mineral, mientras que la capa interna contiene casi solo colágeno. [27] Esta variación entre un compuesto ligeramente mineralizado y casi completamente no mineralizado conduce a la gran flexibilidad de las escamas. [27] A medida que se aplica una fuerza a la superficie de la escama, como se ve en el ataque depredador, la capa más externa se somete a una fuerza de compresión y necesita resistir la perforación, mientras que la capa más interna experimenta fuerzas de tracción. [27] La alta concentración mineral de la capa limitante y la elasmodina externa son más adecuadas para lidiar con las fuerzas de compresión, mientras que el material casi completamente no mineralizado de la elasmodina interna es más adecuado para las fuerzas de estiramiento. [27] La capa externa de elamsoduro está mineralizada en un 35% aproximadamente. [29]
La alineación de las fibrillas de colágeno en el material compuesto juega un papel importante en las propiedades del material. Estas fibrillas de colágeno forman una estructura conocida como la estructura de Bouligand . [27] La estructura de Bouligand es un diseño de madera contrachapada rotada que imparte resistencia multidireccional. Las fibras de colágeno en una capa están todas alineadas linealmente en una sola dirección para dar fortalecimiento en esa dirección. Estas capas de fibrillas de colágeno unidireccionales están luego ligeramente desplazadas de sus capas vecinas para ayudar con la resistencia multidireccional general de los materiales. La resistencia de la escala y el módulo elástico se correlacionan con el número de capas de elasmodina y el espesor de esas capas en comparación con el espesor general de la escala. [29] Además, las fibrillas de colágeno dentro de cada capa de láminas no demuestran agrupamiento. Cada fibrilla está aislada y conectada a sus vecinas a través de enlaces de sacrificio. [27] Esta conexión permite otro nivel de disipación de fuerza ya que los enlaces de sacrificio se romperán primero bajo la fuerza en lugar del material de macroescala.
La estructura de la armadura de escamas está diseñada específicamente para brindar protección durante el movimiento, disipar fuerzas y mantener el peso ligero. Esto luego se combina con las microestructuras de las escamas para producir un material que se adapta mejor a los parámetros requeridos. El material compuesto proporciona resistencia a la fuerza y resistencia a la perforación, al mismo tiempo que proporciona la flexibilidad necesaria para los movimientos de la macroestructura. Esta combinación de aspectos proporciona una gran armadura protectora para muchos animales en la Tierra.
Un ejemplo de esta estructura de armadura en la naturaleza son los peces Arapaimas. Estos son peces grandes que exhiben estas escamas elasmoides y dependen en gran medida de su microestructura y macroestructuras para protegerse. [30] Estos peces viven en la misma agua que las pirañas, por lo que tener una armadura efectiva para protegerse de posibles ataques de pirañas es vital para su supervivencia. La superposición de las escamas permite que la armadura absorba la energía cinética al transmitir la energía del impacto a los discos adyacentes. [26] Una mayor cantidad de capas de escamas puede proteger de ataques forzados más grandes. Por ejemplo, los Arapaima tienen un promedio de tres capas de escamas que son capaces de protegerlos del ataque de pirañas. [30] Sin esta armadura diseñada de manera eficiente, estos peces no estarían protegidos en sus hábitats.
Los osteodermos son depósitos óseos que se forman dentro de la dermis y que se encuentran comúnmente en especies de lagartos y caimanes. [25] Los osteodermos se forman dentro de la dermis con o sin conexión esquelética. [31] El nivel de distribución de los osteodermos varía mucho entre especies. Algunos animales están completamente cubiertos, mientras que otros solo tienen la armadura en ciertas áreas del cuerpo. [31]
Además, el tamaño de los osteodermos varía mucho según la especie y la zona del cuerpo. [31] Normalmente hay placas más grandes en la espalda, los costados y el vientre, y luego placas más pequeñas alrededor de la cabeza y la cola. [31] También hay muchos tipos de estructuras de osteodermo. Pueden formarse en grupos aislados creando una cobertura parcial del organismo, [31] pero también pueden formar una estructura más similar a las escamas de los peces, donde se superponen entre sí para formar una armadura más completa. [31] Dependiendo de la estructura a macroescala de la armadura, la morfología del osteodermo cambia. [31] Las capas superpuestas suelen ser más delgadas que las placas independientes que se ven en los grupos aislados.
Los osteodermos están hechos de materiales compuestos minerales. Incluyen varios tipos de hueso, haces de colágeno mineralizado y no mineralizado, así como vasos sanguíneos. El material compuesto que forma los osteodermos está hecho de fosfato de calcio y colágeno. Debido a la estructura del material similar al hueso, estos materiales son mucho más rígidos que las escamas de pescado discutidas anteriormente. [32] Con un recubrimiento completo de esta armadura, inhibiría la movilidad del organismo. Sin embargo, estas estructuras están conectadas por fibras rígidas y tejido dérmico que permiten el movimiento de los osteodermos. [31] Las regiones blandas, sin embargo, no están protegidas por la armadura.
Las estructuras del osteodermo se forman de manera similar al hueso; la capa externa está hecha de hueso fibroso paralelo, con un núcleo esponjoso revestido de hueso laminar. [31] Estas estructuras óseas tienen propiedades mecánicas muy similares a las del hueso esquelético. Al producir esta capa dérmica de hueso, el organismo crea una capa sacrificial de hueso rígido en la superficie de la piel para defenderse contra ataques de fuerza puntuales. Esta estructura luego está rodeada por material dérmico flexible para permitir el movimiento, sin embargo, como se dijo antes, los espacios entre los osteodermos no están protegidos, lo que deja algunas áreas vulnerables. Esta armadura combina materiales más grandes y mecánicamente más robustos en un diseño de macroestructura que aún permite el movimiento.
Dada su naturaleza liviana y protectora combinada, el nácar, las caracolas y las escamas de pescado son algunos de los muchos organismos que están siendo estudiados por los departamentos militares de los EE. UU. para aplicaciones de armaduras bioinspiradas. [1] La principal complicación que se debe mejorar para este tipo de armaduras es aumentar la flexibilidad y reducir el peso de la armadura sin comprometer la protección contra impactos de tipo balístico. [1]
El principal beneficio de las armaduras biológicas inspiradas en el nácar es su extrema capacidad para resistir la penetración a través de la disipación de energía. [1] Esto es especialmente frecuente cuando se compara con los paneles cerámicos monolíticos . Además, los materiales inspirados en caracoles proporcionan una tortuosidad mejorada en comparación con las placas monolíticas. Los materiales biológicos derivados de estas estructuras son prometedores para los sistemas de armaduras ligeras sin comprometer la resistencia al impacto. Los materiales inspirados en escamas de peces también tienen el potencial de proporcionar capacidades de flexión y rotación a los sistemas de armadura portátiles. [1]
Los sistemas de bioarmadura inspirados en los huesos también se están explorando para aplicaciones de mitigación de impactos balísticos. Uno de estos sistemas desarrollado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. utiliza una distribución alterna de material blando y rígido como el que se encuentra en los huesos ubicados en las extremidades anteriores de los caballos. [4] Este sistema óseo en particular no solo proporciona capacidades excepcionales de soporte de carga y resistencia al impacto, sino que tiene un diseño replicable para aplicaciones de armadura alternativa. Usando materiales de espuma metálica, se diseñó un panel de "cupón" para imitar las propiedades mecánicas de los sistemas óseos y se colocó sobre un soporte de acero cilíndrico. [4] El sistema se probó utilizando pruebas de pistola de gas, en las que se disparó un proyectil de alta velocidad al cupón. [4] Se utilizó una espuma de aluminio Alulight (que es el mismo material que consiste en las capas blandas del cupón) a diferentes densidades como base para la comparación. [4] Se descubrió que el sistema inspirado en el hueso y la pezuña no solo era más liviano, sino que tenía menos penetraciones de proyectiles y absorción de impactos. [4] El sistema óseo había reducido significativamente las aceleraciones de las ondas de estrés pico tanto en frecuencias altas como bajas, mostrando una mejor absorción de impactos. [4]
Las armaduras bioinspiradas también presentan varias aplicaciones en equipamiento deportivo, incluidos cascos y otros equipos de protección.
El pez caimán tiene escamas resistentes a cortes y punciones. [5] Mediante la tecnología de impresión 3D, se pueden agregar escamas de varios tamaños a las almohadillas de goma para brindar estas propiedades a la ropa normal. Esto se probó en guantes de Kevlar en particular, con escamas más pequeñas alrededor de las articulaciones de los dedos y escamas más grandes alrededor de la base de la mano. [5] Se descubrió que esto era útil para proteger contra heridas de arma blanca u otros objetos afilados.
También se han explorado materiales poliméricos inspirados en las conchas de caracol, ya que son difíciles de romper en pruebas de caída , simulando el mismo impacto que una herida de bala. [5] Un diseño inspirado en una caracola también podría tener el potencial de hacer que los cascos sean más delgados y livianos al mismo tiempo que ofrecen el mismo nivel de protección. [5] Por ejemplo, un grupo de investigación del MIT desarrolló un prototipo inspirado en una caracola impreso en 3D para su uso en cascos y chalecos antibalas. [33] Este prototipo se fabricó utilizando fotopolímeros patentados de Stralasys, Veromagenta y Tangoblackplus, que se depositaron y curaron bajo luz ultravioleta . [33] Utilizando técnicas de impresión 3D y fabricación aditiva, el grupo de investigación organizó las capas con 2 órdenes de jerarquía e imitó los ángulos de tablones alternos que se ven en la caracola. [33] Se realizaron pruebas de torre de caída donde los compuestos se dejaron caer a diferentes alturas, alcanzando hasta 3 m/s. [33] Se utilizó un compuesto con un solo orden de jerarquía para la comparación. El prototipo con 2 órdenes de jerarquía fue capaz de soportar daños a todas las velocidades de incidencia, mientras que el control se dañó a una velocidad de 2,5 m/s. [33] Se descubrió que este compuesto mejoraba el rendimiento ante impactos en un 70 % en comparación con el prototipo de un solo orden, y en un 85 % en comparación con un control de material rígido. [33] Este estudio confirmó que los diseños jerárquicos inspirados en las conchas de caracol pueden tener aplicaciones impresionantes en los cascos debido a su extraordinaria capacidad para soportar impactos contundentes. [33]
La seda de dragón es un tipo de seda de araña que es más fina que el cabello humano, pero más fuerte que el Kevlar . [5] El uso de este material permitiría crear equipos de protección ligeros, transpirables, biodegradables y duraderos, con posibles aplicaciones en chalecos antibalas. [5]
Además de crear armaduras de protección, las armaduras bioinspiradas también tienen implicaciones medicinales. Por ejemplo, las esponjas, los selladores y los polvos pueden simular la coagulación sanguínea y proporcionar una barrera en el lugar de una lesión. En particular, la reticulación de fenol-amina que se encuentra en los exoesqueletos de los insectos tiene propiedades antiadherentes, antitrombóticas y antiincrustantes. La combinación de las propiedades de las esponjas y el esqueleto de los insectos con los materiales bioinspirados mencionados anteriormente podría conducir a la creación de una armadura híbrida bioinspirada con propiedades antimicrobianas, antitrombóticas y resistentes.
El proceso de esclerotización de los insectos implica el endurecimiento de la capa del exoesqueleto, que se facilita mediante la reticulación covalente de los derivados de la dopamina con fibras de quitina y otras proteínas endógenas para generar el exoesqueleto quitinoso. [35] Un grupo de investigación pudo crear una versión reticulada de albúmina de suero bovino (BSA) y ácido hidrocafeico (HCA) injertado con polietilenglicol (PEG), utilizando el mismo mecanismo encontrado en la esclerotización de los insectos. [34] La nueva molécula reticulada tenía propiedades antiincrustantes y evitaba la formación de biopelículas en los dispositivos biomédicos, lo que ayudaba a mantener la esterilidad. [34]
Utilizando el mismo método de reticulación, el catecol y el colágeno se reticularon y quelaron con iones de zinc para crear un “sistema metal-fenol-poliamina” en la superficie de una esponja. [36] La presencia de iones metálicos le dio a la esponja propiedades antimicrobianas contra bacterias gramnegativas y grampositivas . [36] Los sustratos reticulados activaron las vías de coagulación para promover la agregación plaquetaria, lo que permitió que la armadura de la esponja tuviera propiedades hemostáticas y cicatrizantes. [36] La eficacia de esta tecnología se modeló en estudios con conejos y ratas, que demostraron una hemostasia y cicatrización de heridas exitosas cuando estos animales fueron tratados con estas esponjas. [36]
La investigación de los mecanismos que se esconden tras la formación de la armadura biológica también puede proporcionar información sobre trastornos y enfermedades humanas. En particular, el desarrollo de los osteodermos en la piel del caimán se puede utilizar para investigar la progresión de la enfermedad de la osificación heterotrófica. [37] La osificación heterotrófica , también conocida como enfermedad del "hombre de piedra", es una enfermedad humana que provoca la formación de hueso en tejidos blandos maduros. Aunque se conocen las causas de la osificación heterotrófica, el mecanismo celular sigue siendo esquivo. [37] Los escudos de caimán tienen el potencial de ser un modelo de enfermedad útil para la osificación heterotrófica porque los osteodermos de los caimanes se forman en los tejidos blandos en una etapa tardía del desarrollo (etapa postembrionaria), similar a las formaciones óseas en la osificación heterotrófica. [37] El uso de los osteodermos de caimán para estudiar el mecanismo de la osificación heterotrófica y la progresión de la enfermedad puede conducir potencialmente a opciones de tratamiento más eficaces para la enfermedad (p. ej., farmacéutica). [37]
Los investigadores del Instituto de Investigación Médica Naval de Shanghái investigaron las propiedades curativas de la piel de tiburón en heridas expuestas al agua de mar. [38] Debido a que las heridas sumergidas en agua de mar están expuestas a bajas temperaturas, altas concentraciones de sal y varios microbios, tienden a tener un proceso de curación más lento. [38] El colágeno (tipo I) extraído de tiburones azules y una película de poliuretano antiinmersión en agua de mar se depositó sobre una esponja para crear un vendaje de esponja de colágeno de piel de tiburón. [38] El vendaje de piel de tiburón protegió la herida del agua de mar hasta cuatro horas después de la inmersión y promovió fuertemente la curación de la herida, en comparación con los vendajes de gasa y quitosano tratados con película de poliuretano. [38] La piel de tiburón también se ha investigado para aplicaciones en la industria del transporte como revestimiento para aviones para reducir la resistencia. [39]
Se han utilizado métodos de fabricación aditiva , incluida la impresión 3D / modelado por deposición fundida , la inyección de material y la fusión a base de polvo, para fabricar armaduras de inspiración biológica.
La impresión 3D y el modelado por deposición fundida de armaduras biomiméticas son populares debido a su rentabilidad y facilidad de fabricación. El proceso de impresión 3D basado en filamentos implica la extrusión de un filamento de polímero a través de una boquilla e impresión de objetos capa por capa sobre una superficie caliente. Los filamentos comunes utilizados en este proceso son ABS, PLA , TPU y PE. Una vez terminada, la pieza no requiere tratamiento adicional. La impresión 3D basada en polvo implica extender una fina capa de polvo sobre una superficie y conectarla con un aglutinante en la geometría deseada. El polvo no deseado se elimina una vez que se imprime el objeto. Algunos polvos comunes utilizados son Sr-HT, polvo de óxido de aluminio y polifosfato de calcio. En comparación con la impresión 3D basada en filamentos, la fabricación basada en polvo proporciona una mayor precisión de fabricación y detalles más finos a escala microscópica. En general, los desafíos con la impresión 3D incluyen recrear los detalles precisos a escala nanométrica, mala calidad de la superficie y velocidad de impresión lenta. [3]
La impresión 3D y la FDM se han utilizado para crear armaduras que imitan la estructura del nácar, la concha y las escamas de pescado. [3] En las armaduras biomiméticas similares al nácar creadas mediante FDM se muestra una resistencia al impacto mejorada en comparación con un panel monolítico, así como un daño minimizado. Para las escamas superpuestas basadas en peces, la impresión 3D permitió flexibilidad manteniendo una defensa de múltiples capas. La armadura extruida en capas rígidas y blandas basada en pezuñas de caballo también permitió una mayor absorción de energía en relación con una monocapa. [24]
La inyección de material (MJ), también conocida como impresión por inyección de tinta 3D, es el proceso mediante el cual se deposita una resina de fotopolímero sobre una superficie en forma de gotitas y luego se cura con luz ultravioleta. La MJ presenta alta resolución, propiedades de superficie deseables e impresiones multimaterial. La MJ se ha utilizado para crear materiales biomiméticos compuestos rígidos/blandos, así como motivos estructurales comunes como Bouligand , helicoidales , superpuestos y lamelares . Por lo tanto, la MJ es útil para imprimir armaduras inspiradas en conchas de caracol (lamelares cruzados), inspiradas en escamas de pescado y quitinosas. A pesar de estos beneficios, la MJ es costosa, requiere posprocesamiento y utiliza materiales sensibles que pueden degradar la calidad final de la pieza. [24]
Los métodos de fabricación sustractiva se han utilizado en la producción de armaduras biomiméticas, aunque no son tan comunes como los métodos de fabricación aditiva en este campo. Las armaduras biomiméticas a menudo se inspiran en estructuras y organismos naturales para crear materiales con propiedades mejoradas, como resistencia, flexibilidad y características de ligereza. Algunos métodos de fabricación sustractiva que se han empleado en la fabricación de armaduras biomiméticas incluyen el mecanizado CNC y el corte/grabado láser . [1]
El mecanizado por control numérico computarizado (CNC) implica el uso de maquinaria controlada por computadora para eliminar material de una pieza de trabajo. Permite dar forma y detallar con precisión diversos materiales, incluidos metales, cerámicas y compuestos, que se pueden utilizar en la producción de armaduras biomiméticas. El mecanizado CNC se ha utilizado para crear tabletas de cola de milano similares al nácar utilizando PMMA. [1]
El corte/grabado por láser implica el uso de un rayo láser de alta potencia para cortar materiales. Ofrece una alta precisión y se puede utilizar con una variedad de materiales, incluidos metales, polímeros y compuestos. El corte por láser se puede emplear en la fabricación de armaduras biomiméticas para crear diseños y patrones intrincados, y se ha utilizado en particular para grabar los patrones de cola de milano de las tabletas de nácar sobre compuestos de fibra de carbono/epoxi. Además, el grabado por láser se ha utilizado para fabricar una placa segmentada inspirada en escamas de pescado que luego se colocó sobre un sustrato elastomérico blando. [1]
Estos métodos de fabricación sustractiva se pueden combinar con otras técnicas y procesos para crear una armadura biomimética que imita las características estructurales y funcionales de los organismos naturales, proporcionando mayor protección y rendimiento en diversas aplicaciones. [24]
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