Biomimética y
Biomimética y
simulaciones
simulaciones
Ingeniería inversa de
Ingeniería inversa de
la naturaleza
la naturaleza
Slide 2
Slide 2 text
Contacto
Linktree Twitter
@nicoguaro
Slide 3
Slide 3 text
Contenido
● Sobre mí
● Simulaciones y biomimética
● Materiales bioinspirados
● Nuestro ejemplo: la langosta boxeadora
Slide 4
Slide 4 text
Sobre mí
Slide 5
Slide 5 text
No content
Slide 6
Slide 6 text
Ingeniería física
Mecánica computacional
Biomimética
Propagación de ondas
Diseño de materiales
Matemáticas aplicadas
Acústica musical
Slide 7
Slide 7 text
Ingeniera física
sustantivo
Persona que sabe más ingeniería que un
físico y más física que una ingeniero.
Slide 8
Slide 8 text
Ciencia/ingeniería computacional
La ciencia/ingeniería
computacional es
inherentemente
interdisciplinar.
Slide 9
Slide 9 text
Ciencia/ingeniería computacional
Cada disciplina aporta una
componente diferente y
complementaria.
Slide 10
Slide 10 text
La interdisciplinariedad es clave
Slide 11
Slide 11 text
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
Slide 12
Slide 12 text
Simulaciones y biomimética
Slide 13
Slide 13 text
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.
Slide 14
Slide 14 text
¿Cuándo es «obligatorio» usar
simulaciones?
Cuando hacer experimentos es:
● Técnicamente inviable;
● Éticamente inviable; o
● Económicamente inviable.
Slide 15
Slide 15 text
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.
Slide 16
Slide 16 text
El ejemplo más común
Slide 17
Slide 17 text
Guantes de Spiderman gecko
Slide 18
Slide 18 text
Coloración estructural
Slide 19
Slide 19 text
Materiales bioinspirados
Slide 20
Slide 20 text
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.
Slide 21
Slide 21 text
Materiales con arquitectura
Ashby, M. Materials: engineering, science, processing and design, 2019.
Slide 22
Slide 22 text
Evolución de los materiales
Materiales
diseñados
Materiales por
casualidad
Evolución histórica
Slide 23
Slide 23 text
Materiales con
microestructura
diseñada
Microestructura
Materiales
híbridos
Superestructura
Materiales
con gradiente
Escala
m
nm
μm
mm
Slide 24
Slide 24 text
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
Slide 25
Slide 25 text
¿Cuál debería ser la
microestructura para
nuestro propósito?
Características de materiales
biológicos
Auto-ensamble
Multifuncionalidad
Jerarquía
Hidratación
Condiciones de síntesis comunes
Evolución y restricciones ambientales
Meyers et al. (2013). Science
Slide 30
Slide 30 text
Motivos comunes en materiales
biológicos
Ocho elementos de diseño
estructural más comunes en la
naturaleza.
Steven Naleway et al. (2015). Advanced Materials
Slide 31
Slide 31 text
Pero no podemos simplemente
copiar un «diseño» de la
naturaleza
Slide 32
Slide 32 text
Ingeniería inversa
Necesitamos (tratar de) entender el papel que
juega cierta microestructura en un material antes
de utilizarse en una aplicación de ingeniería.
Slide 33
Slide 33 text
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
Slide 34
Slide 34 text
Además … el tamaño importa
A. Kircher (1665). Mundus subterraneus
J.T. Bonner (2011). Why size matters
Slide 35
Slide 35 text
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.
Slide 36
Slide 36 text
Nuestro ejemplo
La langosta boxeadora
Slide 37
Slide 37 text
Colaboradores
● Profesor Pablo Zavattieri, Purdue University
● Profesor Juan David Gómez, Universidad EAFIT
● Profesor David Kisailus, University of California
● PhD Nick Yaraghi, University of California
Slide 38
Slide 38 text
No content
Slide 39
Slide 39 text
Aceleración hasta
10000g (bala calibre
0.22)
Rapidez hasta 23 m/s
Fuerza hasta 1500 N
Slide 40
Slide 40 text
Analizamos la
microestructura del
“garrote” en
diferentes regiones
Slide 41
Slide 41 text
Filtrado de ondas
en estructuras
helicoidales
Slide 42
Slide 42 text
● 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.
Slide 43
Slide 43 text
Estructura helicoidal
Slide 44
Slide 44 text
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
Slide 45
Slide 45 text
Energía transmitida
Mientras más
bajo mejor
Slide 46
Slide 46 text
Publicado en Acta
Biomaterialia en 2015.
75 citas según Google
Scholar.
Slide 47
Slide 47 text
Sintonización de
compuestos
artificiales
bioinspirados
Slide 48
Slide 48 text
● 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.
Slide 49
Slide 49 text
Cambiamos el módulo de
cortante relativo del material
Slide 50
Slide 50 text
Cambios en la direccionalidad
Módulo de cortante relativo
Slide 51
Slide 51 text
Cambios en la energía filtrada
Módulo de cortante normalizado
Mientras más
bajo mejor
Slide 52
Slide 52 text
Publicado en Journal of the
Mechanics and Physics of
Solids en 2019
Slide 53
Slide 53 text
Biocompuesto
helicoidal-
sinusoidal
Slide 54
Slide 54 text
● 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.
Slide 55
Slide 55 text
Comparación microestructuras
Helicoide plano Helicoide sinusoidal
Slide 56
Slide 56 text
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.
Slide 57
Slide 57 text
Prueba de concepto con
manufactura aditiva
Imprimimos en 3D
ambos compuestos
y los probamos a
compresión.
Slide 58
Slide 58 text
Pruebas manufactura aditiva
La estructura
estructura sinusoidal
es capaz de soportar
deformaciones
mayores sin daño
significativo lo que
lleva a mayores
energías absorbidas.
Slide 59
Slide 59 text
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.
Slide 60
Slide 60 text
Publicado en Advanced
Materials en 2016.
95 citas según Google
Scholar.
Slide 61
Slide 61 text
Partículas
bicontinuas
Slide 62
Slide 62 text
● 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.
Slide 63
Slide 63 text
Partículas bicontinuas
Slide 64
Slide 64 text
Partículas bicontinuas
Slide 65
Slide 65 text
Publicado en Nature
Materials en 2020.
18 citas según Google
Scholar.
Slide 66
Slide 66 text
Conclusiones
Slide 67
Slide 67 text
Conclusiones
Analizamos la microestructura en diferentes regiones
del apéndice de la langosta boxeadora.
Slide 68
Slide 68 text
Conclusiones
En diferentes regiones usamos procesos de ingeniería o
ingeniería inversa, dependiendo de la necesidad.
Slide 69
Slide 69 text
Conclusiones
Combinamos biomimética y simulaciones para resolver
problemas en el campo del diseño de materiales.