Sólo para Ingenieros (385): ¿Qué pueden aportar las serpientes a la ingeniería de fricción? 02/06/2018 Especialidad: Ingeniería mecánica, tribología, Estimados colegas y amigos, Si quieres saber cómo hacer una zapatilla con mejor tracción, sólo pregúntale a una serpiente. Esa es la teoría que impulsa la investigación del Dr. Hisham Abdel-Aal, un profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la “University of Drexel (UD)”, quien estudia la piel de serpiente para ayudar a los ingenieros a mejorar el diseño de superficies texturizadas, como revestimientos de cilindros del motor, juntas protésicas - y sí, tal vez incluso calzado. Sobre el tema, un colega mexicano experto en tribología (la ciencia que estudia la fricción), nos comparte el presente artículo de difusión, publicado en el boletín electrónico de la “University of Drexel (UD)” el 21 de mayo pasado, veamos que nos cuenta… Abdel-Aal, un ingeniero mecánico con experiencia en tribología, ha estado recolectando y analizando pieles de serpiente durante casi una década en un esfuerzo por comprender y cuantificar la forma en que generan fricción cuando se mueven. En un artículo científico publicado recientemente en el Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, Abdel-Aal explica cómo esta "información tomada de la naturaleza" puede trasladarse al diseño de productos comerciales que se deslizan y se adhieren, un proceso llamado "ingeniería de superficie inspirada en motivos biológicos".
"De la naturaleza han aprendido enormemente muchas áreas de ingeniería y diseño, pero tal parece que la tribología es un campo de estudio que se ha pasado por alto cuando se trata de estas enseñanzas", dijo Abdel-Aal. "Las serpientes en particular tienen mucho que enseñarnos sobre la optimización del deslizamiento y el agarre. Su existencia depende de la eficiencia del movimiento en entornos muy específicos. Las serpientes que estudiamos hoy son el resultado de un proceso evolutivo que ha adaptado completamente la microestructura de su piel y su estructura corporal para moverse y sobrevivir en su hábitat desde el primer día. Estos entornos pueden ser brutales incluso en nuestra maquinaria más avanzada, por lo que aplicar lo que sabemos sobre texturización de serpientes podría ayudar a nuestra tecnología a adaptarse también ". Pero escuchar los consejos de diseño de la naturaleza requiere bastante traducción. El trabajo de Abdel-Aal en esta área se está convirtiendo rápidamente en el estándar para ayudar a los ingenieros a entender el potencial del control de fricción de serpientes para el diseño de superficies. Su investigación más reciente analiza los rasgos texturales de la piel de serpiente obtenida del análisis de 350 pieles completas de 40 especies diferentes, los compara con las características estándar de superficies industriales texturizadas y sugiere cómo este marco puede usarse para sintetizar "superficies inteligentes" con nuevas capacidades de fricción. Adivina y comprueba Aunque es una fuerza de la naturaleza omnipresente que los científicos, ingenieros y diseñadores han estudiado y tratado como ruido de fondo durante siglos, cuando se trata de fricción para nuestros usos, gran parte de nuestra comprensión moderna permanece envuelta en el misterio.
Parte de esto, sugiere Abdel-Aal, se debe a que nuestro trato con la fricción ha evolucionado al tratar de negarlo constantemente con lubricantes o maximizarlo con textura, pero casi siempre en la búsqueda de objetivos “on-off”. Una vez que se alcanza ese objetivo específico, ya sea que un pistón del motor produzca una cierta cantidad de caballos de fuerza, o unos tacos de fútbol funcionen en un campo empantanado, el trabajo que se realiza rara vez contribuye a una comprensión más amplia de la fricción. "El diseño de la textura todavía se ve como un 'arte en una caja negra' en el sentido de que actualmente existe una brecha entre las tecnologías de texturizados habilitantes disponibles y un paradigma conceptual de diseño de textura", escribió en una revisión de superficies funcionales. Abdel-Aal señala que tal entendimiento no solo mejoraría la eficiencia de estos desafíos específicos de diseño, sino que también podría inspirar un uso más amplio de la fricción en el diseño de nuevas superficies. La guía que Abdel-Aal presenta elimina las conjeturas de la texturización y, en cambio, permite a los diseñadores tomar decisiones intencionales, respaldadas por la opinión de expertos en tribología deslizante. Encontrando el patrón Para discernir los elementos que le dan a una serpiente su habilidad para manejar la fricción, Abdel-Aal analizó su valiosa base de datos de mudas de piel con los detalles, y la atención a la topografía, de un cartógrafo trazando un mapa. Su inventario de mudas de piel de serpientes comenzó con algunas muestras de amigos de un pitón real y ha crecido a varios cientos con un poco de ayuda del Zoológico de Filadelfia y la Academia de Ciencias Naturales.
Es importante estudiar la piel como la serpiente la habría usado, así que cuando Abdel-Aal obtiene una nueva muestra, primero la sumerge en agua, para que sea más duradera, luego la gira hacia afuera, ya que la mayoría de las serpientes pierden su piel como un calcetín retirado apresuradamente. Luego lo monta en papel para gráficos y lo escanea para crear un registro permanente con un marco de referencia visual. A partir de ahí, él y sus colaboradores de investigación pueden comenzar a hacer mediciones detalladas de la forma y el tamaño de las escamas, y su posición, relativa entre sí y sobre el cuerpo de la serpiente. Finalmente, examina la piel con un microscopio electrónico de barrido para producir una imagen de las características microscópicas que crean su textura. Las escamas de serpiente tienen estructuras invisibles, pequeñas y parecidas a pelos, llamadas fibrillas. Aunque tienen solo un micrón de longitud, aproximadamente 1/100 del ancho de un cabello humano, las fibrillas, y la forma en que están dispuestas en la parte inferior de la serpiente, son clave para su capacidad de generar fricción.
El posicionamiento de las fibrillas, junto con el tamaño, la forma, la rigidez y la distribución de las escamas crean un perfil de fricción único para cada serpiente, que es lo que Abdel-Aal ha trabajado para capturar y catalogar. Serpientes de ingeniería inversa Con la piel de serpiente "mapeada", el equipo de Abdel-Aal puede descubrir los patrones significativos de las características de la textura que contribuyen a mover la serpiente en su entorno. "La adaptación a los requisitos locales requiere especialización en la forma, la geometría y las propiedades mecánicas de los bloques de construcción de la piel", dijo. "Las implicaciones de la adaptación a las condiciones locales son intrigantes porque proporcionan un lugar para decodificar elementos de diseño de superficie en serpientes, un proceso de este tipo tiene el potencial de producir muchas lecciones aplicables al diseño de superficies tecnológicas". Además de categorizar patrones de escalas y distribución de fibrillas sobre el cuerpo de la serpiente, el trabajo de Abdel-Aal sintetiza volúmenes de investigación sobre la física del movimiento de la serpiente y medidas de las fuerzas de fricción ejercidas por las serpientes mientras se ondulan, deslizan, escurren y fluyen lateralmente.
Al hacer una referencia cruzada de estas medidas con el perfil de textura que creó para cada serpiente, Abdel-Aal puede relacionar los rasgos físicos con su impacto en la mecánica de la serpiente. Por ejemplo, la textura de la escala y la musculatura de serpientes grandes, como boas y pitones se han optimizado para el movimiento rectilíneo o en línea recta. Para que ocurra este tipo de movimiento, la serpiente básicamente levanta una parte de su cuerpo y se inclina hacia adelante presionando contra el suelo con secciones de sus escamas. Al observar de cerca estas secciones de la piel de serpiente, es evidente que hay más fibrillas en las partes que "empujan" el cuerpo de la serpiente, lo que crea suficiente fricción para permitir que se deslice hacia delante en las otras escamas. Ganando tracción "Para que el diseño de la superficie de inspiración biológica sea eficaz, necesitamos desarrollar una nomeclatura común para describir las características de textura", escribe Abdel-Aal. "Encontramos que tres parámetros principales parecían traducirse ampliamente entre las protuberancias y los hoyuelos de las superficies texturizadas y las fibrillas de la piel de serpiente: área total de la característica, proporción de función a superficie, protrusión / altura y relación altura-base. "
Al clasificar las pieles de serpiente de acuerdo con estas medidas, surgió un patrón interesante. Muchas de las "proporciones recomendadas de texturización" que los investigadores han encontrado a través de la producción y prueba de superficies diseñadas por el hombre son las mismas que ya existen en las serpientes. "Es sorprendente que la investigación de ingeniería en los últimos 25 años haya llegado a la misma solución de diseño, en términos de personalización de las características de la superficie para promover la eficiencia del movimiento, que las serpientes hayan evolucionado durante millones de años", dijo Abdel-Aal. "Si bien significa que los ingenieros probablemente hayan llegado a la respuesta correcta, también sugiere que los datos del estudio de serpientes podrían guiarnos hacia esas conclusiones mucho más eficientemente, acelerando así el desarrollo de nuevos paradigmas de construcción de superficie que pueden aprovechar las herramientas de fabricación en rápida evolución". " Ahora que el trabajo de Abdel-Aal permite a los ingenieros comparar las características tribológicas de la piel de serpiente ya han comenzado a aplicarlo para mejorar el rendimiento de los sistemas que dependen de una gestión cuidadosa de la fricción.
Colaboradores en Colombia diseñaron y probaron una superficie para una prótesis de cadera guiada por los datos tribológicos obtenidos del análisis de Abdel-Aal de la piel de Royal Python. Basado en el trabajo de Abdel-Aal y sus colaboradores, los investigadores de la Universidad de Kentucky están desarrollando esquemas de texturización para insertos de herramientas utilizados en el mecanizado en seco de titanio. Estos diseños de insertos de inspiración biológica maximizan la fricción al mismo tiempo que minimizan el calor residual en el proceso. Y los ingenieros alemanes recientemente publicaron trabajos sobre revestimientos de cilindros inspirados en serpientes que permiten que las superficies minimicen la fricción, ya sea que avance o retroceda. Abdel-Aal ha estado publicando sus conjuntos de datos para que cualquier ingeniero pueda usarlos. Pero también planea construirlos en un algoritmo que pueda integrarse perfectamente en el proceso de diseño de la superficie. "La construcción de superficies inspiradas biológicamente tiene un objetivo más amplio que la mera replicación de texturizado biológico. En esencia, busca extender los beneficios tribológicos potenciales de las superficies de reptiles al dominio de las superficies de ingeniería humana", escribe Abdel-Aal en el diario. "Aunque el campo se está desarrollando rápidamente, existe una necesidad apremiante de una cooperación más profunda entre las comunidades de interesados. Creo que este lenguaje común entre la biología y la tribología permitirá la comunicación cruzada necesaria para esta cooperación". Fuente: http://drexel.edu/now/archive/2018/May/snake-skin-surface-design/ __________ Agradezco las contribuciones y opiniones enviadas. No. de ingenieros en la lista de distribución: 1,140 No. de envío: 385 Bienvenidos comentarios sobre los envíos. Reciban un cordial saludo, Arnoldo
____________ Comentarios: ____________ Sólo para Ingenieros (384): Cómo la vida en la estratósfera nos está enseñando sobre la posibilidad de una vida extrema en otros mundos ____________ El 27/05/18 a las 17:27, Ing. Daniel Saad escribió: Gracias por compartir Buen domingo. atte d saad ____________ El 29/05/18 a las 10:35, irma arciniega escribió: Gracias. Arnoldo. Un saludo Irma Arciniega Portillo ____________ El 29/05/18 a las 16:14, Felipe I. Arreguín Cortés escribió: Gracias Saludos Felipe Arreguín ____________ El 30/05/18 a las 08:08, sergio vazquez escribió: Arnoldo te envío un “caluroso saludo”. Agradeceré puedas integrar al grupo a un amigo de SLP su nombre es Gerardo Alberto. Todo bien por aca, Sergio ____________ Ligas relacionadas: Liga al Portal de la Academia Panamericana de Ingeniería - Ciencia y Tecnología – 'Sólo para ingenieros': http://www.academiapanamericanaingenieria.org/ En la columna ‘Ingeniería para todos’ del rotativo 'La Unión de Morelos' se publicó el lunes 28 de mayo de 2018: ‘El diseño radical de aviones de ala cerrada podría derivar, en un futuro cercano, en un primer paso hacia cielos más limpios...‘.
