Blando, suave, esponjoso o frágil son quizá los primeros adjetivos que acuden a nuestra mente cuando pensamos en una esponja marina. Nada más lejos de la realidad, a pesar de su presuntamente delicada apariencia exterior, algunas esponjas marinas como las del género Euplectella destacan más que por su aspecto, por la complejidad y belleza de su estructura interior: un esqueleto de cristal de dióxido de silicio que, formado por fibras tan finas como un cabello human que pueden alcanzar los 25 centímetros de longitud, se entrelazan y configuran de tal manera que permite a estos animales sobrevivir a las grandes presiones de los fondos marinos en los que desarrollan su ciclo de vida.
Esta particularidad de las esponjas es precisamente lo que ha llamado la atención de un equipo de investigadores de la Escuela John A. Paulson de Ingeniería y Ciencias Aplicadas -SEAS- de Harvard, quienes se han inspirado en los esqueletos vidriosos de estas esponjas para diseñar la que podría ser la próxima generación de rascacielos y puentes, haciendo de ellos estructuras más altas, ligeras y resistentes.
Así en un nuevo artículo titulado Mechanically robust lattices inspired by deep-sea glass sponges publicado esta semana en la revista especializada Nature Materials, los investigadores demostraron que la estructura esquelética en forma de celosía cuadrada reforzada diagonalmente de Euplectella aspergillum, una esponja marina de aguas profundas, tiene una relación resistencia-peso más alta que los diseños de celosía tradicionales utilizados durante siglos en la construcción de edificios y puentes. "Descubrimos que la estrategia de refuerzo diagonal de la esponja logra una mayor resistencia al pandeo —flexión o torsión lateral de una columna o pilar como resultado de la aplicación excesiva de fuerza en sus ejes verticales— lo que significa que podemos construir estructuras más fuertes y resistentes reorganizando inteligentemente el material dentro de la estructura", explica Matheus Fernandes, estudiante de posgrado en SEAS y autor principal del artículo.
No obstante, más que una aplicación arquitectónica, los esqueletos de euplectella podrían tener aplicaciones en diversos campos. Uno de ellos es la ingeniería aeroespacial, "donde la relación resistencia-peso de una estructura es de vital importancia", explica por su parre James Weaver, científico principal de SEAS co-autor del artículo. "Esta geometría de inspiración biológica podría proporcionar la hoja de ruta para diseñar estructuras más ligeras y resistentes para una amplia gama de aplicaciones", añade.
Breve historia de las celosías
Si alguna vez ha armado una estantería de metal o jugado al mecano, entonces ha podido comprobar por propia experiencia el principio que rige en la arquitectura de celosía diagonal. Este tipo de diseño utiliza muchas vigas diagonales pequeñas y poco espaciadas para distribuir uniformemente las cargas aplicadas. Esta geometría fue patentada a principios del siglo XIX por el arquitecto e ingeniero civil, Ithiel Town, quien buscaba un método para construir puentes lo más resistentes posible con materiales livianos y baratos.
"Town desarrolló una forma simple y rentable de estabilizar las estructuras de celosía cuadrada empleadas prácticamente hasta el día de hoy", cuenta Fernandes. "Estas estructuras cumplen con su función, sin embargo no lo hacen de un modo óptimo, lo que produce una gran cantidad de material desperdiciado o redundante y a su vez limita la altura a que podemos construir", añade. "Una de las preguntas principales que impulsaron esta investigación fue: ¿podemos hacer que estas estructuras sean más eficientes, y en última instancia, utilizar menos material para lograr la misma resistencia? ".
Soluciones arquitectónicas desde las profundidades
Fernandes y los suyos han encontrado la respuesta en las profundidades del mar. Mientras que se desconoce con exactitud cuando los seres humanos empezaron a construir los primeros puentes u otras estructuras verticales capaces de soportar grandes cargas, encontramos que, afortunadamente, las esponjas de vidrio, el grupo al que pertenece Euplectella aspergillum, también conocida como la canasta de flores de Venus, ya nos llevaba cerca de 500 millones de años de ventaja al servicio de la investigación y el desarrollo. Para sostener su cuerpo tubular, Euplectella aspergillum emplea dos conjuntos de puntales esqueléticos diagonales y paralelos, que se cruzan y fusionan con una rejilla cuadrada subyacente para formar un patrón robusto similar a un tablero de ajedrez. "Hemos estado estudiando las relaciones estructura-función en los sistemas esqueléticos de las esponjas durante más de 20 años, y estas especies continúan sorprendiéndonos", señala Weaver.
En simulaciones y experimentos, los investigadores replicaron este diseño y compararon la arquitectura esquelética de la esponja con las geometrías de celosía existentes. El diseño de la esponja los superó a todos, soportando cargas más pesadas sin doblarse. Los investigadores demostraron que la estructura en diagonal cruzada paralela emparejada mejoró la resistencia estructural general en más de un 20%, sin la necesidad de añadir ningún material adicional para lograr este efecto.
"Nuestra investigación demuestra que las lecciones aprendidas del estudio de los sistemas esqueléticos de las esponjas se pueden aprovechar para construir estructuras geométricamente optimizadas para reducir el pandeo, lo que tendrá enormes implicaciones para un mejor uso del material en las futuras infraestructura modernas", concluyen los autores.
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