Riassunto:
I ricercatori dell'Università della California, Berkeley, dell'Università di Harvard e del Politecnico di Istanbul in Turchia hanno sviluppato un metodo di progettazione dei metamateriali che tiene conto della capacità di carico e delle prestazioni dei fluidi, attingendo alla struttura scheletrica della spugna di vetro delle acque profonde "Euplectella aspergillum". La ricerca, pubblicata su Nature Communications, non si concentra sulla replica della spugna stessa, ma sulla traduzione della sua geometria della griglia, leggera e resistente, in strutture ingegneristiche ottimizzate dal punto di vista computazionale.
La struttura del Venus Basket è realizzata in silice simile al vetro. I telai longitudinali e circonferenziali, i rinforzi diagonali incrociati e i motivi a spirale esterni insieme formano un reticolo complesso, consentendogli di resistere alla pressione e alle correnti del mare profondo e guidare l'acqua attraverso o attorno al corpo. Il gruppo di ricerca spera di imparare da questa struttura e risolvere le contraddizioni comuni nella progettazione ingegneristica: il materiale dovrebbe essere il più leggero possibile e utilizzare la minor quantità possibile di materiale, ma allo stesso tempo essere abbastanza forte da ridurre la resistenza e le vibrazioni causate dal vento o dal flusso d'acqua.
A tal fine, il team ha utilizzato l'analisi degli elementi finiti per valutare la resistenza strutturale, la fluidodinamica computazionale per simulare il flusso, quindi ha utilizzato un algoritmo di ottimizzazione bayesiana multi-obiettivo per selezionare e regolare automaticamente centinaia di soluzioni geometriche. Gli obiettivi di ottimizzazione includono l'aumento del carico di punta critico della struttura e la riduzione della resistenza dei fluidi, del sollevamento e delle fluttuazioni di sollevamento; quest'ultimo è legato alla perdita di vortici e alle vibrazioni che induce. I ricercatori hanno quindi utilizzato la stereolitografia per fabbricare le strutture selezionate e verificato i risultati della simulazione attraverso esperimenti di compressione e velocimetria dell'immagine delle particelle.
Gli esperimenti mostrano che con diverse frazioni di volume del materiale, il carico di punta critico della griglia ottimizzata aumenta in media di circa il 140% rispetto al progetto di base, riducendo al contempo la resistenza, la portanza e la perdita di vortici. Ad esempio, Berkeley ha affermato che una struttura cilindrica quasi solida con un rapporto di apertura di solo circa il 5% e una cresta a spirale può anche sopprimere in modo significativo le vibrazioni indotte dai fluidi senza sacrificare la stabilità strutturale. I ricercatori hanno affermato che questi miglioramenti derivano dall’ottimizzazione della geometria e non aumentano il volume del materiale; i valori rilevanti sono i risultati del confronto tra la struttura sperimentale e lo schema di benchmark e non significano che tutti i materiali o le applicazioni possano essere ugualmente migliorati.
Il team ritiene che questo metodo abbia il potenziale per essere utilizzato in strutture che devono essere leggere, resistenti al carico ed esposte ad ambienti fluidi per lungo tempo, compresi componenti di aeromobili, strutture di supporto di condutture sottomarine e stent medici che aiutano a mantenere i canali dei fluidi nel corpo. Può anche essere adatto per strutture ingegneristiche colpite dal vento, come i grattacieli. La ricerca è ancora nella fase di progettazione e verifica del prototipo, e le applicazioni pratiche richiedono ulteriori test su diversi materiali, scale, carichi e metodi di produzione.
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