Biomimética y simulaciones: Ingeniería inversa de la naturaleza

La biomimética es el estudio de la estructura y función de sistemas biológicos como modelos para el diseño e ingeniería. En el contexto del diseño de materiales podemos tomar los materiales biológicos como fuente de inspiración para explorar materiales de ingeniería con arquitecturas novedosas. En este seminario, hablaremos sobre la biomimética y las simulaciones como estrategias transversales para los procesos de ingeniería e ingeniería inversa. La fuente de inspiración es el Stomatopod o langosta boxeadora, y el problema de interés es el de los materiales con microestructura diseñada.

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1. Biomimética y Biomimética y simulaciones simulaciones Ingeniería inversa de Ingeniería inversa de la naturaleza la naturaleza
2. Contacto Linktree Twitter @nicoguaro
3. Contenido • Sobre mí • Simulaciones y biomimética • Materiales bioinspirados • Nuestro ejemplo: la langosta boxeadora
4. Sobre mí
6. Ingeniería física Mecánica computacional Biomimética Propagación de ondas Diseño de materiales Matemáticas aplicadas Acústica musical
7. Ingeniera física sustantivo Persona que sabe más ingeniería que un físico y más física que una ingeniero.
8. Ciencia/ingeniería computacional La ciencia/ingeniería computacional es inherentemente interdisciplinar.
9. Ciencia/ingeniería computacional Cada disciplina aporta una componente diferente y complementaria.
10. La interdisciplinariedad es clave
11. 1970 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 1975 1980 1985 1990 Año Interdisciplinariedad 1995 2000 Michael Szell et al. (2018). A Nobel opportunity for interdisciplinarity. Nature Physics
12. Simulaciones y biomimética
13. Simulación La simulación es la aplicación de un modelo con el fin de obtener estrategias para resolver un problema. Kai Velten (2009). Mathematical modeling and simulation.
14. ¿Cuándo es «obligatorio» usar simulaciones? Cuando hacer experimentos es: • Técnicamente inviable; • Éticamente inviable; o • Económicamente inviable.
15. Biomimética La biomimética es el estudio de la estructura y función de sistemas biológicos como modelos para el diseño e ingeniería e materiales y máquinas.
16. El ejemplo más común
17. Guantes de Spiderman gecko
18. Coloración estructural
19. Materiales bioinspirados
20. Materiales con arquitectura Los materiales con arquitectura híbridos son una combinación de dos o más materiales en una configuración que ofrece propiedades que no ofrecen ninguno de los materiales por sí solos.
21. Materiales con arquitectura Ashby, M. Materials: engineering, science, processing and design, 2019.
22. Evolución de los materiales Materiales diseñados Materiales por casualidad Evolución histórica
23. Materiales con microestructura diseñada Microestructura Materiales híbridos Superestructura Materiales con gradiente Escala m nm μm mm
24. Aumento en la importancia de la modelación Materiales disponibles Selección de materiales Materiales diseñados Materiales optimizados Aumento en la multifuncionalidad de los materiales Física + matemáticas + simulación
25. ¿Cuál debería ser la microestructura para nuestro propósito?
26. ¿Cómo decidimos qué arquitecturas/microestructuras estudiar?
27. Metodologías • Prueba y error • Optimización topológica • Aprendizaje automático (machine learning) • (Bio)inspiración
28. Materiales bioinspirados: ingeniería inversa
29. Características de materiales biológicos Auto-ensamble Multifuncionalidad Jerarquía Hidratación Condiciones de síntesis comunes Evolución y restricciones ambientales Meyers et al. (2013). Science
30. Motivos comunes en materiales biológicos Ocho elementos de diseño estructural más comunes en la naturaleza. Steven Naleway et al. (2015). Advanced Materials
31. Pero no podemos simplemente copiar un «diseño» de la naturaleza
32. Ingeniería inversa Necesitamos (tratar de) entender el papel que juega cierta microestructura en un material antes de utilizarse en una aplicación de ingeniería.
33. No resolvemos los problemas de la misma manera Tamaño nm μm mm m km 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Solución de problemas Tamaño nm μm mm m km información energía tiempo espacio estructura substancia Soluciones ingenieriles Soluciones biológicas Julian Vincent et al. (2006). Journal of the Royal Society Interface
34. Además … el tamaño importa A. Kircher (1665). Mundus subterraneus J.T. Bonner (2011). Why size matters
35. Pasos para entender la relación estructura- función de los materiales naturales: Estructura: arquitectura, jerarquía, componentes. Función: condiciones de carga, restricciones ambientales. Mecanismos: Identificar y entender los mecanismos en juego en cada caso.
36. Nuestro ejemplo La langosta boxeadora
37. Colaboradores • Profesor Pablo Zavattieri, Purdue University • Profesor Juan David Gómez, Universidad EAFIT • Profesor David Kisailus, University of California • PhD Nick Yaraghi, University of California
39. Aceleración hasta 10000g (bala calibre 0.22) Rapidez hasta 23 m/s Fuerza hasta 1500 N
40. Analizamos la microestructura del “garrote” en diferentes regiones
41. Filtrado de ondas en estructuras helicoidales
42. • Desciframos el diseño del material del apéndice del Stomatopod. • Propusimos un modelo de un helicoide periódico. • Encontramos que hay filtrado de ondas debido a la periodicidad.
43. Estructura helicoidal
44. Estructura helicoidal x y z D=Nd d n =2 n = N n = N+1 n =1 . . . k (onda incidente) n =3 n = N -1
45. Energía transmitida Mientras más bajo mejor
46. Publicado en Acta Biomaterialia en 2015. 75 citas según Google Scholar.
47. Sintonización de compuestos artificiales bioinspirados
48. • Tomamos las lecciones aprendidas del material del apéndice como guía para diseño de materiales de ingeniería. • Cambiando las propiedades de cada capa podemos cambiar la direccionalidad. • Podemos sintonizar el material para el valor de energía que buscamos.
49. Cambiamos el módulo de cortante relativo del material
50. Cambios en la direccionalidad Módulo de cortante relativo
51. Cambios en la energía filtrada Módulo de cortante normalizado Mientras más bajo mejor
52. Publicado en Journal of the Mechanics and Physics of Solids en 2019
53. Biocompuesto helicoidal- sinusoidal
54. • Descubrimos un nuevo diseño similar al helicoide pero con oscilaciones. • Creemos que esta microestructura se debe al proceso de mineralización del apéndice. • Esta microestructura permite redistribuir esfuerzos, evitando fallos catastróficos.
55. Comparación microestructuras Helicoide plano Helicoide sinusoidal
56. Redistribución de esfuerzos Plano Sinusoidal Vemos una redistribución en los esfuerzos en el caso sinusoidal que se traduce en una redistribución del daño, en contraposición a una localización que llevaría a falla catastrófica.
57. Prueba de concepto con manufactura aditiva Imprimimos en 3D ambos compuestos y los probamos a compresión.
58. Pruebas manufactura aditiva La estructura estructura sinusoidal es capaz de soportar deformaciones mayores sin daño significativo lo que lleva a mayores energías absorbidas.
59. Pruebas manufactura aditiva Comparación de la deformación angular máxima para un valor nominal de 0.1. Vemos una redistribución de las deformaciones en el caso sinusoidal.
60. Publicado en Advanced Materials en 2016. 95 citas según Google Scholar.
61. Partículas bicontinuas
62. • Descubrimos un nuevo diseño en las partículas de la región externa. Estas, a su vez, son compuestos bicontinuos. • Esta microestructura permite que las partículas puedan soportar cargas después de fallar parcialmente.
63. Partículas bicontinuas
64. Partículas bicontinuas
65. Publicado en Nature Materials en 2020. 18 citas según Google Scholar.
66. Conclusiones
67. Conclusiones Analizamos la microestructura en diferentes regiones del apéndice de la langosta boxeadora.
68. Conclusiones En diferentes regiones usamos procesos de ingeniería o ingeniería inversa, dependiendo de la necesidad.
69. Conclusiones Combinamos biomimética y simulaciones para resolver problemas en el campo del diseño de materiales.
70. ¡Muchas gracias!