Inspirarse en los huesos de gigantes para la construcción

La naturaleza, resultado de millones de años de evolución constante, es una fuente extraordinaria de inspiración para los humanos, lo que explica el gran desarrollo de la bioinspiración en las últimas décadas. En este contexto, el hueso se está utilizando cada vez más en campos tan variados como el arte, la industria, la medicina, la robótica y la arquitectura.

Este estudio, publicado en Bioinspiration & Biomimetics, sugiere que la estructura de los huesos de los grandes mamíferos actuales ofrece nuevas ideas para imaginar columnas más resistentes con menos material.


La bioinspiración es un enfoque de diseño basado en la observación de la naturaleza como modelo. Mientras que los programas de inteligencia artificial a veces llegan a resultados subóptimos, millones de años de evolución han forjado en algunos casos estructuras con un potencial mayor.

Entre ellas, el esqueleto de los vertebrados se adapta a las restricciones mecánicas (peso, acción de los músculos). Debe ser lo suficientemente resistente para sobrevivir, sin ser demasiado pesado, lo que haría que la locomoción fuera costosa en términos energéticos. La forma de los huesos, pero también su estructura interna, están adaptados para maximizar la resistencia a las restricciones impuestas con una cantidad mínima de material. Inspirarse en los huesos debería, por lo tanto, permitir reducir el costo de fabricación (tanto financiero como ecológico) y aumentar la resistencia (y la vida útil) de las estructuras bioinspiradas.

Este estudio propone examinar qué características adaptativas de la forma externa y de la estructura interna de los huesos están relacionadas con la resistencia a la compresión, y probar cuál sería la resistencia de columnas bioinspiradas. Para ello, los investigadores primero tuvieron que seleccionar los huesos para analizar.

Basándose en características anatómicas, seleccionaron huesos del antebrazo y de la pierna de rinocerontes (Ceratotherium simum) y elefantes (Elephas maximus), los vertebrados terrestres más grandes actuales. Luego realizaron análisis biomecánicos en modelos virtuales 3D. Después, los imprimieron con una impresora 3D y llevaron a cabo pruebas mecánicas para probar su resistencia a la compresión. Finalmente, construyeron una columna cilíndrica sólida (que corresponde al estándar actual) y otra con una estructura interna inspirada en uno de los huesos de rinoceronte.

Sus resultados revelaron que la forma de los huesos es menos eficiente que un cilindro para resistir la compresión. Sin embargo, la columna cilíndrica bioinspirada mostró una mayor resistencia que la columna sólida. Este resultado resalta, por lo tanto, el potencial del diseño de columnas cilíndricas bioinspiradas a partir de los huesos de grandes vertebrados terrestres. El estudio también destacó el interés de inspirarse en algunas formas extintas, aquí del gigante rinocerotoide Paraceratherium.

Estos resultados permitieron a los investigadores validar su enfoque y saber en qué direcciones continuar sus investigaciones para obtener columnas aún más resistentes.

Referencia:
Houssaye, A., Etienne, C., Gallic, Y. L., Rocchia, F., y Chaves‐Jacob, J. ¿Cómo puede la investigación sobre huesos modernos y fósiles ayudarnos a construir columnas más resistentes? Bioinspiration & Biomimetics, publicado el 19 de marzo de 2024. https://doi.org/10.1088/1748-3190/ad311f