Cómo un escarabajo conseguirá que los aviones sean más resistentes

Todavía queda todo que aprender de la naturaleza. Los miles de millones de euros que se invierten cada año en la investigación de nuevos materiales no son nada comparados con los millones de años de evolución natural de algunas especies. El proceso de adaptación al medio es el mejor laboratorio, aunque en ocasiones creamos lo contrario, y quizá muchos de los problemas que se plantean a los ingenieros ya estén resueltos 'ahí fuera'.

A esa misma conclusión han llegado un par de equipos de científicos de la Universidad de California en Irvine y la Universidad Purdue, ambas de Estados Unidos. Donde han descubierto la superresistencia natural de un escarabajo y las posibles aplicaciones en ingenierías tan estrictas como la aeronáutica.

El élitro, una especie de coraza que protege a las alas funcionales, se encuentra en muchos tipos de escarabajo. En algunas especies el élitro está formado por dos pequeñas protecciones que se abren para dejar salir a las alas. En otras, por el contrario, las dos partes del 'caparazón' están completamente suturadas creando una protección especial. Estos últimos escarabajos pierden la posibilidad de volar, pero a cambio se llevan una resistencia elevadísima.

Tras varias indagaciones experimentales, los investigadores de ambas universidades públicas se han centrando en esa sutura del élitro de un escarabajo muy particular: el diabólico acorazado.

Escarabajo acorazado

La premonitoria denominación de este coleóptero confirma los descubrimientos científicos que lo atestiguan como uno de los animales más resistentes de la naturaleza. "La sutura actúa como un rompecabezas. Conecta varias capas exoesqueléticas, como piezas de un puzle, en el abdomen debajo de los élitros", según ha comentado Pablo Zavattieri, profesor de ingeniería civil en la Universidad Purdue.

Modelo de escarabajo Universidad de California en Irvine Omicrono

Esta sutura interconectada soporta presiones de unos 150 newtons, alrededor de 39.000 veces que el peso de un ejemplar medio de escarabajo diabólico acorazado. Algo extraordinario para la naturaleza. La sutura, según apuntan, se comporta de diferente forma dependiendo de la cantidad de presión a la que se someta.

Según los experimentos que han podido llevar a cabo, el escarabajo diabólico acorazado es capaz de resistir a que un coche le pase por encima sin mayores complicaciones. Siempre y cuando sea sobre un terreno arenoso. Según los cálculos, el atropello de un coche corresponde con aproximadamente 100 newtons de presión, un 66% de lo que puede resistir el escarabajo. "Otros escarabajos terrestres [que no vuelan] con los que han experimentado no pueden resistir ni la mitad de la fuerza que puede soportar un diabólico acorazado", según han publicado.

Sutura del escarajo Universidad de California en Irvine Omicrono

Al descubrir la enorme resistencia de este escarabajo los científicos se pusieron manos a la obra para intentar replicar el esquema estructural de la sutura del élitro en una impresora 3D así como realizar simulaciones por ordenador. Con todo lo aprendido, actualmente están trabajando en dos teorías resolutivas.

La primera, según indican en una publicación de la Universidad Purdue, "las capas interconectadas se bloquean para evitar que se salgan de la sutura como si fueran piezas de un rompecabezas". La segunda línea de investigación pasa que "la sutura y las hojas se deslaminan, lo que conduce a una deformación más limpia que mitiga la falla del exoesqueleto". Sea cual sea, ambas responden a una distribución sobresaliente del esfuerzo compresivo aplicado.

'Diseñado' por ingenieros

"Uno de los desafíos actuales de la ingeniería pasa por poder juntar dos tipos de materiales diferentes sin que le limite la capacidad para soportar cargas", ha declarado David Restrepo, profesor en la Universidad de Texas en San Antonio, que ha trabajado en el grupo de investigación de Zavattieri. "El escarabajo diabólico acorazado es capaz de sortear esas limitaciones".

En algunas estructuras delicadas actuales, como en motores de aviones, las juntas entre diversos materiales se realizan con otras piezas de materiales diferentes más resistentes. Lo que provoca mayores tensiones estructurales, mayores costes de mantenimiento y mayor peso del conjunto. "Las suturas del escarabajo diabólico acorazado proporcionan una mayor resistencia a la falla además de ser más predecible, lo que puede ayudar a resolver esos problemas", según ha afirmado Maryam Hosseini, que ha trabajado en el grupo de investigación de Zavattieri.

Los investigadores de la Universidad de California en Irvine han construido una pieza en fibra de carbono que imita a la sutura del escarabajo. Los de la Universidad Purdue la han sometido a diversas pruebas de resistencia y han concluido que es tan fuerte como las piezas de estándar aeroespacial, pero significativamente más resistente.

"Este trabajo muestra la posibilidad de que podamos pasar de usar materiales fuertes y frágiles a materiales que pueden ser tanto frágiles como duros al disipar la energía a medida que se rompen. Eso es lo que la naturaleza le ha permito hacer al escarabajo diabólico acorazado", remata Zavattieri. Las investigaciones han sido financiadas por la Fuerza Aérea y por el Ejército de Estados Unidos