Para diseñar nuevos materiales, los científicos buscan inspiración en la naturaleza viva. En California, están copiando el arte de las termitas, que construyen colinas de metros de altura para vivir y reproducirse.
Para aprender del bello y eficaz estilo de construcción de los insectos, es importante entender cómo trabajan las termitas. ¿Qué reglas fundamentales se esconden en los patrones de crecimiento de la naturaleza? Si se pueden definir estas sencillas reglas, es posible simular y analizar todo tipo de estructuras utilizando una sólida porción de potencia informática.
Irregular, desordenado, óptimo
"Las termitas solo miden unos milímetros, pero sus nidos pueden alcanzar una altura de cuatro metros, el equivalente a que un humano construya una casa tan alta como el monte Whitney en California (o el Mont Blanc en Francia)", explica Chiara Daraio, profesora de ingeniería mecánica y física aplicada del Instituto Tecnológico de California en Pasadena. Si se observa el interior de un nido de termitas, se ve una red de estructuras asimétricas e interconectadas, como el interior de una barra de pan o una esponja. Esta estructura desordenada e irregular formada por granos de arena, polvo, suciedad, mucosidad y estiércol parece amontonada sin un plan, pero nada más lejos de la realidad. Un nido de termitas es una estructura bien pensada, muy estable y donde el aire puede ventilarse de forma óptima.
En su trabajo, Daraio se centra en los llamados "materiales arquitectónicos" como bloques de construcción de estructuras tridimensionales a nano o microescala. Hasta ahora, el campo de los materiales arquitectónicos se ha centrado principalmente en las estructuras construidas con formas geométricas, como el octaedro o el cubo ("arquitecturas periódicas"). A continuación, estas células se repiten y se pegan para formar una estructura reticular. Pero ahora parece que el enfoque en las estructuras ordenadas ha sido demasiado unilateral. Ya es hora de inspirarse en los patrones irregulares de la naturaleza.
Entender la termita
"Esperábamos definir reglas sencillas para diseñar materiales arquitectónicos, cada uno con propiedades mecánicas únicas. Nos fijamos en el individuo y tratamos de entender cómo contribuye una termita a la fabricación del nido", dice Daraio, cuyo estudio fue publicado en la prestigiosa revista Science.
"Las arquitecturas periódicas son útiles para los ingenieros porque es bastante sencillo calcular sus propiedades. Pero, en la práctica, no siempre son la opción óptima a la hora de diseñar nuevos materiales", explica Daraio. Las estructuras desordenadas, como las de un nido de termitas, son más comunes en la naturaleza que las estructuras periódicas. A menudo resultan ser la mejor opción, pero hasta ahora los ingenieros no han entendido las reglas de diseño.
"La forma en que abordamos el problema fue considerando los recursos limitados de una termita", dice Daraio. Cuando la termita construye su nido, no tiene un plano del diseño del nido delante de ella. Solo puede tomar decisiones basadas en reglas simples.
Grano de arena redondo que encaja en forma de media luna
Una termita puede, por ejemplo, utilizar granos de arena que encuentra cerca de su nido y pegar los granos de una manera que ha aprendido de otras termitas. Un grano de arena redondo encaja muy bien junto a un grano con forma de media luna, porque eso proporciona más estabilidad. Estas reglas básicas a nivel local pueden emplearse para describir cómo construir un nido de termitas. "Hemos creado un algoritmo de diseño de materiales con reglas similares que determinan cómo pueden unirse dos bloques de materiales diferentes", dice Daraio.
Este "programa de crecimiento virtual" simula el crecimiento natural de estructuras biológicas, como la construcción de nidos de termitas. Los bloques virtuales empleados aquí incluyen una forma de L, una forma de I, una forma de T y una forma de plus. Además, la disponibilidad de cada bloque de construcción no es ilimitada. Cada tipo de bloque tiene un cierto límite, porque una termita solo tiene una cantidad limitada de recursos a su disposición. A partir de estas limitaciones, el programa construye una arquitectura en cuadrícula. Seguidamente, estas arquitecturas pueden traducirse en modelos físicos 2D o 3D.
Estructuras superiores de la impresora 3D
"Nuestro objetivo es generar geometrías desordenadas utilizando unas pocas formas simples, como una línea recta, una cruz o una forma de 'L'. Estas estructuras se pueden imprimir en 3D. Se pueden emplear todo tipo de materiales diferentes: espumosos, duros como una roca o elásticos. Depende de la aplicación del diseño", dice Daraio.
Si se cambia la disponibilidad de los bloques de construcción en forma de L, por ejemplo, se obtiene un conjunto de estructuras totalmente nuevo. Daraio y su equipo experimentaron con las entradas virtuales, generando más de 54 000 diseños diferentes. Jugaron con diferentes rigideces, densidades y deformaciones de los materiales.
"Queremos entender las reglas fundamentales del diseño de materiales para poder idear diseños superiores a los materiales que empleamos actualmente en ingeniería", dice Daraio. "Aquí pensamos, por ejemplo, en materiales más ligeros pero también menos propensos a romperse, o en diseñar un material que sea extremadamente bueno para absorber los golpes mecánicos y las vibraciones".