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Biomimética y Biomimética y simulaciones simulaciones Ingeniería inversa de Ingeniería inversa de la naturaleza la naturaleza

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Contacto Linktree Twitter @nicoguaro

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Contenido ● Sobre mí ● Simulaciones y biomimética ● Materiales bioinspirados ● Nuestro ejemplo: la langosta boxeadora

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Sobre mí

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Ingeniería física Mecánica computacional Biomimética Propagación de ondas Diseño de materiales Matemáticas aplicadas Acústica musical

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Ingeniera física sustantivo Persona que sabe más ingeniería que un físico y más física que una ingeniero.

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Ciencia/ingeniería computacional La ciencia/ingeniería computacional es inherentemente interdisciplinar.

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Ciencia/ingeniería computacional Cada disciplina aporta una componente diferente y complementaria.

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La interdisciplinariedad es clave

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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

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Simulaciones y biomimética

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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.

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¿Cuándo es «obligatorio» usar simulaciones? Cuando hacer experimentos es: ● Técnicamente inviable; ● Éticamente inviable; o ● Económicamente inviable.

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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.

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El ejemplo más común

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Guantes de Spiderman gecko

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Coloración estructural

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Materiales bioinspirados

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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.

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Materiales con arquitectura Ashby, M. Materials: engineering, science, processing and design, 2019.

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Evolución de los materiales Materiales diseñados Materiales por casualidad Evolución histórica

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Materiales con microestructura diseñada Microestructura Materiales híbridos Superestructura Materiales con gradiente Escala m nm μm mm

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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

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¿Cuál debería ser la microestructura para nuestro propósito?

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¿Cómo decidimos qué arquitecturas/microestructuras estudiar?

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Metodologías ● Prueba y error ● Optimización topológica ● Aprendizaje automático (machine learning) ● (Bio)inspiración

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Materiales bioinspirados: ingeniería inversa

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Características de materiales biológicos Auto-ensamble Multifuncionalidad Jerarquía Hidratación Condiciones de síntesis comunes Evolución y restricciones ambientales Meyers et al. (2013). Science

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Motivos comunes en materiales biológicos Ocho elementos de diseño estructural más comunes en la naturaleza. Steven Naleway et al. (2015). Advanced Materials

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Pero no podemos simplemente copiar un «diseño» de la naturaleza

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Ingeniería inversa Necesitamos (tratar de) entender el papel que juega cierta microestructura en un material antes de utilizarse en una aplicación de ingeniería.

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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

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Además … el tamaño importa A. Kircher (1665). Mundus subterraneus J.T. Bonner (2011). Why size matters

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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.

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Nuestro ejemplo La langosta boxeadora

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Colaboradores ● Profesor Pablo Zavattieri, Purdue University ● Profesor Juan David Gómez, Universidad EAFIT ● Profesor David Kisailus, University of California ● PhD Nick Yaraghi, University of California

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Aceleración hasta 10000g (bala calibre 0.22) Rapidez hasta 23 m/s Fuerza hasta 1500 N

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Analizamos la microestructura del “garrote” en diferentes regiones

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Filtrado de ondas en estructuras helicoidales

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● 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.

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Estructura helicoidal

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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

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Energía transmitida Mientras más bajo mejor

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Publicado en Acta Biomaterialia en 2015. 75 citas según Google Scholar.

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Sintonización de compuestos artificiales bioinspirados

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● 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.

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Cambiamos el módulo de cortante relativo del material

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Cambios en la direccionalidad Módulo de cortante relativo

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Cambios en la energía filtrada Módulo de cortante normalizado Mientras más bajo mejor

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Publicado en Journal of the Mechanics and Physics of Solids en 2019

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Biocompuesto helicoidal- sinusoidal

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● 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.

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Comparación microestructuras Helicoide plano Helicoide sinusoidal

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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.

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Prueba de concepto con manufactura aditiva Imprimimos en 3D ambos compuestos y los probamos a compresión.

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Pruebas manufactura aditiva La estructura estructura sinusoidal es capaz de soportar deformaciones mayores sin daño significativo lo que lleva a mayores energías absorbidas.

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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.

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Publicado en Advanced Materials en 2016. 95 citas según Google Scholar.

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Partículas bicontinuas

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● 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.

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Partículas bicontinuas

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Partículas bicontinuas

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Publicado en Nature Materials en 2020. 18 citas según Google Scholar.

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Conclusiones

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Conclusiones Analizamos la microestructura en diferentes regiones del apéndice de la langosta boxeadora.

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Conclusiones En diferentes regiones usamos procesos de ingeniería o ingeniería inversa, dependiendo de la necesidad.

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Conclusiones Combinamos biomimética y simulaciones para resolver problemas en el campo del diseño de materiales.

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¡Muchas gracias!