Il team di ricerca collaborativa crea armature stampate in 3D ispirate a Chiton Scales
Dagli artigli di aragosta e squame di pesce alle conchiglie , gli esseri umani sono stati spesso ispirati dalla natura nella creazione di dispositivi di protezione. Di recente, un team di ricercatori provenienti dal MIT , Virginia Tech , Harvard University , California State University Fullerton e Max Planck Institute of Colloids & Interfaces ha pubblicato un documento intitolato ” Progettazione bioispirata di armature flessibili basata su scale di chitoni ” sul loro lavoro utilizzando la stampa 3D multimateriale e la modellazione parametrica computazionale per creare “un analogo di armatura sintetica flessibile in scala flessibile” basato sulle armature ridimensionate di chitoni, un gruppo di molluschi marini.
“Questo approccio ci consente di effettuare una valutazione quantitativa della nostra armatura ispirata al chitone per valutarne la flessibilità e le capacità di protezione dipendenti dall’orientamento”, hanno scritto i ricercatori in astratto.
L’armatura biologica offre protezione meccanica dall’ambiente, che include attacchi da predatori. Le armature artificiali usano strutture rigide per questa protezione, che il team ha spiegato può comportare “un compromesso con flessibilità e manovrabilità”.
“Molte specie di chitoni possiedono centinaia di piccole scaglie mineralizzate disposte sulla cintura morbida che circonda le loro piastre di conchiglie sovrapposte”, afferma l’astratto. “Garantendo sia la flessibilità per la locomozione sia la protezione del corpo molle sottostante, la cintura in scala è un modello eccellente per la progettazione di armature multifunzionali.”
Poiché molte armature biologiche si basano su piastre di armatura rigide e rigide, la flessibilità è difficile da abbinare ad essa. Le armature a scala con molti piccoli elementi ripetitivi, come quella del chitone, possono aiutare a massimizzare la combinazione di flessibilità e protezione. Il team ha completato uno studio sulla geometria 3D, la diversità strutturale interspecifica, la composizione del materiale e le proprietà nanomeccaniche delle scale del cingolo chitonico , concentrandosi sul chiton Rhyssoplax canariensis (Chitonidae: Chitoninae). Questa specie è coperta da un totale di otto “placche di conchiglie mineralizzate sovrapposte bilateralmente simmetriche”, oltre alla cintura protettiva in scala.
“Contrariamente alla maggior parte dei molluschi sgusciati in cui la mobilità è limitata, come nei singoli molluschi sgusciati (gasteropodi, tra cui lumache, scaphopod o conchiglie di zanna, e alcuni cefalopodi come Nautilus ) o bivalvi con guscio di cerniera (cozze, vongole, capesante, ecc. ), la maggior parte dei poliplacofori (chitoni) sono caratterizzati da otto piastre sovrapposte a guscio duro (Fig. 1a, b), che ospitano collettivamente un’ampia gamma di movimenti “, hanno spiegato i ricercatori. “Oltre alle otto placche a conchiglia sovrapposte (che sono funzionalmente analoghe all’esoscheletro segmentato a placche di molti crostacei), un’ulteriore protezione è fornita da una spessa cintura coriacea che costeggia la periferia dell’animale.”
Sebbene le squame della cintura siano quasi pure minerali e molto rigide, sono anche molto flessibili e in grado di adattarsi alle superfici ruvide. Le squame di Chiton sono anche più uniformi nella composizione, senza porosità, sub-stratificazione o eterogeneità del materiale.
“Questa osservazione sottolinea l’idoneità delle scale di chitone come modello per la bioispirazione, poiché le prestazioni meccaniche della loro armatura possono essere ascritte principalmente a considerazioni geometriche, piuttosto che a variazioni di materiale su scala fine”, ha osservato il team.
Il team ha utilizzato molti approcci sperimentali e di modellazione, come test meccanici, modellazione ad elementi finiti, microscopia elettronica, tomografia micro-computata a raggi X sincrotrone e nanoindentazione strumentata, per studiare i chitoni e l’uso di scale simil-chitoni in 3D flessibile stampato armatura.
“Incorporando le proprietà fisiche e funzionali delle scale del cingolo chiton caratterizzate da queste indagini, progettiamo un sistema di armatura flessibile di ispirazione bio, integrando la modellazione geometrica parametrica e la stampa 3D multi-materiale”, hanno scritto i ricercatori. “Esploriamo i compromessi funzionali tra protezione e flessibilità in questo sistema di armature in scala modello e il suo potenziale per informare la progettazione di ulteriori prototipi funzionali.”
Una stampante 3D multi-materiale Connex 500 di Stratasys è stata utilizzata per creare prototipi da fotopolimeri sia rigidi che flessibili in diversi colori.
“Al fine di imitare con successo la morfologia della scala per la produzione di un analogo strutturale stampato in 3D … misurazioni quantitative della geometria della scala sono state condotte definendo diversi parametri morfometrici”, hanno affermato i ricercatori.
Il team ha anche preso “misure morfometriche 3D” delle scale cintura dorsali di specie Chiton nelle Ischnochitonidae e Chitonidae famiglie. Per riprodurre la morfometria per l’ulteriore modellizzazione di matrici ridimensionate, hanno creato un modello geometrico parametrico.
“La riuscita modellazione 3D delle singole scale ci ha permesso di progettare un assemblaggio di armature in scala composita simile a quello dei chitoni”, ha spiegato il team. “Il sistema di armature di ispirazione bio includeva squame rigide incorporate in un substrato morbido sottostante.”
Figura 5. Modellazione parametrica 3D delle geometrie della scala del chitone. a Top, il modello in scala 3D con tre curve di ponteggio principali. Modello in scala 3D in basso evidenziato con il dorso centrale per generare le mesh di superficie. b Tre curve principali con punti di riferimento geometrici indicati. c, d Confronto delle scale originali di chitone con i corrispondenti modelli di scala imitati per due specie: c, una scala a curva singola da Rhyssoplax canariensis e, una scala a doppia curva da Lepidozona mertensii .
Hanno usato materiali con moduli di ca. 2 GPa e ca. 0,7 MPa, rispettivamente, per stampare in 3D le scale e la matrice, al fine di replicare correttamente come le scale interagirebbero con il tessuto della cintura molle. L’assemblaggio della bilancia è stato molto flessibile, con una gamma di movimento simile alle scale di chitone reali e il team è stato in grado di esplorare in modo efficiente una varietà di disposizioni con le scale grazie alla “natura parametrica del nostro modello”.
Progettazione e realizzazione di armature in scala flessibile di ispirazione bio. un diagramma schematico che mostra i componenti di base dell’armatura; (1) scale, (2) matrice e (3) strato sottostante morbido. b Vista laterale c e inferiore dell’armatura. d, spaziatura tra scale. d Pannello piatto con squame uniformi fabbricato mediante produzione additiva. e Un pannello piegato che mostra un’eccellente flessibilità. f, g Progettazione del modello di scala con gradienti di dimensione. h Montaggio in scala su substrato piano e curvo. i Ridimensionamento del gruppo su superfici a doppia curva. j Immagini di proiezione a raggi X di una ginocchiera basata sul pannello protettivo in scala di ispirazione bio in posizioni j estese e piegate, a dimostrazione della sua conformabilità e flessibilità. Dimostrazione della capacità di protezione della ginocchiera ispirata alla scala chiton su vetri rotti.
Hanno anche studiato le prestazioni meccaniche dei loro prototipi stampati in 3D multimateriale e persino 3D stampato un prototipo di ginocchiera in scala per dimostrare l’utilità del sistema ispirato al chitone sia per applicazioni protettive che flessibili.
“Gli attuali design della ginocchiera spesso rientrano in uno dei due estremi: piastre rigide e rigide che creano protezione pesante ma limitano la flessibilità, o gomme / schiume elastomeriche che offrono elevata flessibilità ma protezione limitata (specialmente contro oggetti appuntiti). La protezione per le ginocchia ispirata alla scala chiton offre una soluzione unica a questo dilemma ”, hanno osservato i ricercatori.
Gli assiemi in scala stampati in 3D avevano una resistenza alla perforazione molto più elevata rispetto alle ginocchiere tipiche con inserti in gomma o schiuma e presentavano anche buone capacità di conformazione della forma in configurazioni estese e piegate.
Co-autori dell’articolo sono Matthew Connors, Ting Yang, Ahmed Hosny, Zhifei Deng, Fatemeh Yazdandoost, Hajar Massaadi, Douglas Eernisse, Reza Mirzaeifar, Mason N. Dean, James C. Weaver, Christine Ortiz e Ling Li.
Figura 1. g – i: rendering 3D μ-CT delle cinture del chiton R. canariensis in diversi orientamenti e modalità di visualizzazione: g vista dall’alto delle scale della cintura, h modalità di trasparenza che mostra le caratteristiche sovrapposte tra le scale adiacenti, vista dal basso i con e j senza squame ventrale. Coordinate locali: N (normale), dal ventrale al dorsale; R (radiale), da prossimale a distale; C (circonferenziale). Figura 1. Armatura biologica graduata flessibile nella cintura del chiton Rhyssoplax canariensis. a, b Immagini SEM ad ampio campo del chiton R. canariensis, che mostrano rispettivamente la vista dorsale e laterale delle piastre primarie (PP) e della cintura coperta da squame periferiche (G). c Vista ingrandita della cintura coperta da squame dorsali. L’immagine è stata acquisita dalla regione indicata dalla scatola rettangolare in una, evidenziando singole squame di cintura dorsale sovrapposte, un’armatura protettiva completamente coperta. d Sezione trasversale fratturata dell’armatura in scala del cingolo, che consiste di tre componenti disposti da dorsale a ventrale: (1) squame dorsali (DS); (2) strato fibroso (FL); e (3) scale ventrale (VS). Le linee tratteggiate bianche indicano l’altezza della matrice organica inter-scala e la freccia rossa indica gli spazi tra le scale adiacenti. e Vista in sezione trasversale dell’armatura in scala basata su dati di tomografia computerizzata (μ-CT). Notare la distanza tra gli strati della scala dorsale e ventrale, che è occupata dallo strato fibroso. f Immagine SEM delle squame ventrale a forma di bastoncino, in cui le frecce bianche indicano piccole crepe. 
Geometria 3D e morfologia superficiale delle singole scale dorsali del chiton R. canariensis. a – f: rendering 3D basato su dati μ-CT di singole scale di cintura in diversi angoli e modalità di visualizzazione: una vista frontale, b vista dall’alto (le frecce gialle indicano aperture dei pori), c vista dal basso (la freccia bianca mostra una depressione alla base della scala), d due viste laterali (le frecce bianche mostrano la rugosità della superficie nella parte inferiore della parte posteriore), la vista posteriore e la modalità trasparente f (le frecce gialle mostrano buchi nella superficie dorsale delle scale e la freccia bianca indica depressione nella base). g I contorni di proiezione lungo due orientamenti (trasversale e inferiore) vengono utilizzati per descrivere le geometrie delle scale del chitone. h Vista dall’alto di una ricostruzione basata su dati μ-CT dell’assemblaggio della scala del cingolo di R. canariensis. Tre colonne di scale utilizzate nella misurazione geometrica sono evidenziate in colore rosa e le loro posizioni sono indicate. i Variazioni dei parametri geometrici in funzione della posizione della scala. La linea continua rappresenta la media e l’area ombreggiata mostra la deviazione standard. j Immagine SEM della superficie posteriore di una scala. k Vista ingrandita della superficie della scala con dossi microscopici nella parte inferiore delle superfici posteriori delle scale del chitone, come indicato dalla casella bianca in j. l ricostruzione stereografica derivata da SEM di protuberanze microscopiche in una regione simile mostrata in k. m Immagine SEM retrodiffusa di una sezione trasversale lucidata nella regione di microscopici dossi di una scala, evidenziando la differenza di morfologia tra le superfici anteriore e posteriore delle scale dorsali. i Variazioni dei parametri geometrici in funzione della posizione della scala. La linea continua rappresenta la media e l’area ombreggiata mostra la deviazione standard. j Immagine SEM della superficie posteriore di una scala. k Vista ingrandita della superficie della scala con dossi microscopici nella parte inferiore delle superfici posteriori delle scale del chitone, come indicato dalla casella bianca in j. l ricostruzione stereografica derivata da SEM di protuberanze microscopiche in una regione simile mostrata in k. m Immagine SEM retrodiffusa di una sezione trasversale lucidata nella regione di microscopici dossi di una scala, evidenziando la differenza di morfologia tra le superfici anteriore e posteriore delle scale dorsali. i Variazioni dei parametri geometrici in funzione della posizione della scala. La linea continua rappresenta la media e l’area ombreggiata mostra la deviazione standard. j Immagine SEM della superficie posteriore di una scala. k Vista ingrandita della superficie della scala con dossi microscopici nella parte inferiore delle superfici posteriori delle scale del chitone, come indicato dalla casella bianca in j. l ricostruzione stereografica derivata da SEM di protuberanze microscopiche in una regione simile mostrata in k. m Immagine SEM retrodiffusa di una sezione trasversale lucidata nella regione di microscopici dossi di una scala, evidenziando la differenza di morfologia tra le superfici anteriore e posteriore delle scale dorsali. k Vista ingrandita della superficie della scala con dossi microscopici nella parte inferiore delle superfici posteriori delle scale del chitone, come indicato dalla casella bianca in j. l ricostruzione stereografica derivata da SEM di protuberanze microscopiche in una regione simile mostrata in k. m Immagine SEM retrodiffusa di una sezione trasversale lucidata nella regione di microscopici dossi di una scala, evidenziando la differenza di morfologia tra le superfici anteriore e posteriore delle scale dorsali. k Vista ingrandita della superficie della scala con dossi microscopici nella parte inferiore delle superfici posteriori delle scale del chitone, come indicato dalla casella bianca in j. l ricostruzione stereografica derivata da SEM di protuberanze microscopiche in una regione simile mostrata in k. m Immagine SEM retrodiffusa di una sezione trasversale lucidata nella regione di microscopici dossi di una scala, evidenziando la differenza di morfologia tra le superfici anteriore e posteriore delle scale dorsali. 