Inspirando-se nos ossos de gigantes para construção

A natureza, resultado de milhões de anos de constante evolução, é uma fonte extraordinária de inspiração para os humanos, o que explica o forte desenvolvimento da bioinspiração nas últimas décadas. Neste contexto, o osso é cada vez mais utilizado em domínios tão variados como a arte, a indústria, a medicina, a robótica e a arquitetura.

Este estudo, publicado em Bioinspiration & Biomimetics, sugere que a estrutura dos ossos de grandes mamíferos atuais oferece novas pistas para imaginar colunas mais resistentes usando menos material.


A bioinspiração é uma abordagem de design baseada na observação da natureza como modelo. Enquanto programas de inteligência artificial às vezes chegam a resultados sub-ótimos, milhões de anos de evolução forjaram em alguns casos estruturas com um potencial maior.

Entre elas, o esqueleto dos vertebrados se adapta às restrições mecânicas (peso, ação dos músculos). Ele precisa ser suficientemente resistente para sobreviver, sem ser demasiadamente pesado, o que tornaria a locomoção custosa em energia. A forma dos ossos, mas também sua estrutura interna, são assim adaptadas para maximizar a resistência às restrições impostas com uma quantidade mínima de material. Inspirar-se em ossos deveria permitir reduzir o custo de fabricação (tanto financeiro quanto ecológico) e aumentar a resistência (e a durabilidade) das estruturas bioinspiradas.

Este estudo propõe examinar quais características adaptativas da forma externa e da estrutura interna dos ossos estão relacionadas à resistência à compressão, e testar qual seria a resistência de colunas bioinspiradas. Para tanto, os pesquisadores primeiro selecionaram os ossos para análise.

Com base em características anatômicas, eles escolheram ossos do antebraço e da perna de rinocerontes (Ceratotherium simum) e de elefantes (Elephas maximus), os maiores vertebrados terrestres atuais. Eles então realizaram análises biomecânicas em modelos virtuais 3D. Depois, imprimiram-nos com uma impressora 3D e realizaram testes mecânicos para testar a resistência à compressão. Finalmente, eles construíram uma coluna cilíndrica sólida (que corresponde ao padrão atual) e outra com uma estrutura interna inspirada em um dos ossos de rinocerontes.

Os resultados revelaram que a forma dos ossos é menos eficaz que um cilindro para resistir à compressão. No entanto, a coluna cilíndrica bioinspirada mostrou uma melhor resistência que a coluna sólida. Este resultado destaca, portanto, o potencial do design de colunas cilíndricas bioinspiradas a partir de ossos de grandes vertebrados terrestres. O estudo também levantou o interesse de se inspirar em algumas formas extintas, aqui do rinocerotóide gigante Paraceratherium.

Esses resultados permitiram aos pesquisadores validar sua abordagem e saber em quais direções continuar suas pesquisas para obter colunas ainda mais resistentes.

Referência:
Houssaye, A., Etienne, C., Gallic, Y. L., Rocchia, F., e Chaves‐Jacob, J. How can research on modern and fossil bones help us build more resistant columns ? Bioinspiration & Biomimetics, publicado em 19 de março de 2024. https://doi.org/10.1088/1748-3190/ad311f