Lo que las hormigas bravas pueden enseñarnos sobre los materiales autocurativos

Lo que las hormigas bravas pueden enseñarnos sobre los materiales autocurativos
Lo que las hormigas bravas pueden enseñarnos sobre los materiales autocurativos

Cuando una inundación golpea una región donde viven las hormigas bravas, su respuesta de supervivencia es unirse para formar una “balsa” flotante que flota y mantiene unida a la colonia. Piense en ello como un material condensado y adaptable donde los componentes básicos (las hormigas individuales) están realmente vivos.

El profesor asistente de la Universidad de Binghamton, Rob Wagner, dirigió una investigación como parte del Laboratorio de Mecánica de Materia Blanda Vernerey en la Universidad de Colorado Boulder en la que investigaron la respuesta adaptativa de estas balsas vivientes. Los objetivos son comprender cómo se transforman y cambian de forma autónoma sus propiedades mecánicas, y luego incorporar los descubrimientos más simples y útiles a materiales artificiales.

Wagner se unió al Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Thomas J. Watson esta primavera, después de obtener su doctorado en ciencia de materiales e ingeniería de la Universidad de Colorado Boulder en 2022 y trabajar como investigador postdoctoral en la Universidad de Cornell a partir de 2022. -2. 3.

“Los sistemas vivos siempre me han fascinado, porque logran cosas que nuestros materiales de ingeniería actuales no pueden lograr, ni siquiera cerca”, dijo. “Fabricamos sistemas poliméricos, metales y cerámicas a granel, pero son pasivos. Los constituyentes no almacenan energía y luego la convierten en trabajo mecánico como lo hace todo sistema vivo”.

Wagner considera que este almacenamiento y conversión de energía es esencial para imitar los comportamientos inteligentes y adaptativos de los sistemas vivos.

En su más reciente publicación en el procedimientos de la Academia Nacional de CienciasWagner y sus coautores de la Universidad de Colorado investigaron cómo respondían las balsas de las hormigas bravas a la carga mecánica cuando se estiraban, y compararon la respuesta de estas balsas con polímeros dinámicos y autorreparables.

“Muchos polímeros se mantienen unidos mediante enlaces dinámicos que se rompen, pero que pueden reformarse”, dijo Wagner. “Cuando se tiran con suficiente lentitud, estos enlaces tienen tiempo de reestructurar el material para que, en lugar de fracturarse, fluya como la baba con la que juegan nuestros niños o el helado suave. Sin embargo, cuando se tira muy rápido, se rompe más como tiza. Dado que las balsas se mantienen unidas gracias a las hormigas que se aferran unas a otras, sus vínculos pueden romperse y reformarse. Entonces mis colegas y yo pensamos que harían lo mismo”.

Pero Wagner y sus colaboradores descubrieron que no importaba la velocidad a la que arrastraban las balsas de hormigas, su respuesta mecánica era casi la misma y nunca fluían. Wagner especula que las hormigas aprietan y prolongan reflexivamente sus agarres cuando sienten fuerza porque quieren permanecer juntas. O rechazan o apagan su comportamiento dinámico.

Este fenómeno de vínculos que se fortalecen cuando se les aplica fuerza se llama comportamiento de captura de vínculos y probablemente mejora la cohesión de la colonia, lo que tiene sentido para la supervivencia.

“A medida que tiras de los vínculos típicos con cierta cantidad de fuerza, se soltarán antes y su vida útil disminuye; estás debilitando el vínculo al tirar de él. Eso es lo que se ve en casi cualquier sistema pasivo”, dijo Wagner. “Pero en los sistemas vivos, debido a su complejidad, a veces se pueden tener vínculos de captura que se mantienen durante períodos más prolongados bajo algún rango de fuerza aplicada. Algunas proteínas hacen esto de forma mecánica y automática, pero no es como si estuvieran tomando una decisión. Simplemente están dispuestos de tal manera que cuando se aplica una fuerza, se revelan estos sitios de unión que se enganchan o “atrapan”.

Wagner cree que imitar estos enlaces de captura en sistemas de ingeniería podría conducir a materiales artificiales que exhiban un autofortalecimiento autónomo y localizado en regiones de mayor tensión mecánica. Esto podría mejorar la vida útil de implantes biomédicos, adhesivos, compuestos de fibras, componentes robóticos blandos y muchos otros sistemas.

Las agregaciones colectivas de insectos, como las balsas de hormigas bravas, ya están inspirando a los investigadores a desarrollar materiales con propiedades y comportamientos mecánicos que responden a estímulos. un papel en Materiales de la naturaleza A principios de este año, dirigido por el Ware Responsive Biomaterials Lab de Texas A&M e incluyendo contribuciones de Wagner y su ex asesor de tesis, el profesor Franck J. Vernerey, demuestra cómo las cintas hechas de geles o materiales especiales llamados elastómeros de cristal líquido pueden enrollarse debido al calentamiento. y luego se enredan entre sí para formar estructuras condensadas y sólidas que se inspiraron en estas hormigas.

“Una progresión natural de este trabajo es responder cómo podemos lograr que las interacciones entre estas cintas u otros bloques de construcción blandos se ‘atrapen’ bajo carga como lo hacen las hormigas bravas y algunas interacciones biomoleculares”, dijo Wagner.

“Tengo una formación arraigada en la mecánica de polímeros y me gusta extrapolar mi comprensión de esos fundamentos a los sistemas vivos. “Un aspecto importante de mi trabajo aquí en Binghamton será investigar cómo utilizar la mecánica computacional y la fabricación aditiva para crear dispositivos y redes que respondan automáticamente a la carga, para poner en práctica los principios de los sistemas vivos”.

Si bien Wagner está descubriendo mucho al estudiar las hormigas bravas en el laboratorio, recolectarlas para esta investigación también ofreció lecciones clave. Como cuando vio hormigas arrastrándose audazmente por el interior de su coche durante el transporte.

“Una cosa que aprendí es que en un balde de cinco galones hay suficiente oxígeno para las hormigas. “No es necesario hacer agujeros en la parte superior”, dijo riendo. “Ese fue el error que cometí la primera vez”.

 
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