Tienen mala fama, pero su función en la naturaleza es descomponer la madera, y contribuyen, al igual que muchos otros animales, a que se produzcan menos incendios. Ahora pueden contribuir al desarrollo de la tecnología. La forma en la que construyen sus nidos las termitas intriga profundamente a los investigadores de Caltech que están creando un marco cognoscitivo para diseñar nuevos materiales inspirados en el sistema perfecto con el que construyen sus nidos. Están convencidos de que inspirándose en el buen hacer de estos bichitos, pueden crear materiales programables.
La investigación en torno a las posibilidades que ofrecen las técnicas utilizadas por las termitas ha sido publicada por Chiara Daraio, profesora G. Bradford Jones de Ingeniería Mecánica y Física Aplicada e Investigadora del Instituto de Investigación Médica Heritage
"Las termitas miden solo unos pocos milímetros de largo, pero sus nidos pueden alcanzar una altura de 4 metros, el equivalente a que un humano construya una casa de la altura del Monte Whitney en California", dice Daraio.
Todo aquel que ha bregado con ellas, con la ayuda de un estetoscopio en un mueble de madera bueno sabe de la habilidad de estos insectos. Si pudiésemos observarlo de cerca como este equipo de investigadores, veríamos “una red de estructuras asimétricas e interconectadas, como el interior de una hogaza de pan o una esponja. Hecha de granos de arena, polvo, suciedad, saliva y estiércol, esta estructura desordenada e irregular parece arbitraria, pero un nido de termitas está específicamente optimizado para la estabilidad y la ventilación”, informa Caltech Edu . El documento se titula "Reglas de crecimiento para materiales arquitectónicos irregulares con propiedades programables". Además de Daraio, el ex postdoctorado de Caltech Ke Liu y la ex estudiante Rachel Sun son coautores de este interesante estudio. La Fundación Nacional de Ciencias, el Fondo de Nuevas Aventuras Caltech Carver Mead, el programa Caltech SURF y la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Pekín participaron en la financiación de este proyecto innovador.
"Pensamos que al comprender cómo contribuye una termita a la fabricación del nido, podríamos definir reglas simples para diseñar materiales arquitectónicos con propiedades mecánicas únicas", dice Daraio. Sostiene que los materiales por estos curiosos insectos son diseñados son sólidos similares a la espuma o compuestos que comprenden los bloques de construcción que luego se organizan en estructuras tridimensionales, desde la escala nanométrica hasta la micrométrica.
La perfección a partir del desorden, la magia de lo aleatorio y sus funcionalidades
Hasta la llegada de este estudio el campo de los materiales arquitectónicos se ha centrado principalmente en las arquitecturas periódicas; dichas arquitecturas contienen una celda unitaria de geometría uniforme, como un octaedro o un cubo, y luego esas celdas unitarias se repiten para formar una estructura reticular. Sin embargo, esta forma tan cuadriculada de estudiar las estructuras ha limitado las funcionalidades y el uso de materiales arquitectónicos.
“Las arquitecturas periódicas son convenientes los ingenieros porque podemos hacer suposiciones en el análisis de sus propiedades. Sin embargo, si pensamos en las aplicaciones, no son necesariamente la opción de diseño óptima”, dice Daraio. Las estructuras desordenadas, como la de un nido de termitas, son más frecuentes en la naturaleza que las estructuras periódicas y, a menudo, muestran funcionalidades superiores, pero, hasta ahora, los ingenieros no habían descubierto una forma confiable de diseñarlas.
"La forma en que abordamos el problema por primera vez fue pensando en la cantidad limitada de recursos de una termita", dice Daraio, quien afirma que estas impovisan, y no disponen de un plano del diseño general del nido cuando comienzan a construirlo. A veces usan granos redondos, pero otras veces recuren a la combinación con otras partículas de distintas formas. Pueden combinarlo con uno en forma de media luna para dotar de mayor estabilidad a las construcciones. Y aprenden de sus compañeras, el comportamiento no parece innato. Parece ser que hay unas reglas de adyacencia que servirían para describir de forma científica su forma de construir.” Creamos un programa numérico para el diseño de materiales con reglas similares que definen cómo dos bloques de materiales diferentes pueden adherirse entre sí", dice la investigadora.
Este algoritmo, que Daraio y su equipo denominan "programa de crecimiento virtual", simula el crecimiento natural de estructuras biológicas o la fabricación de nidos de termitas. En lugar de un grano de arena o una mota de polvo, el programa de crecimiento virtual utiliza geometrías de materiales únicos o bloques de construcción, así como pautas de adyacencia sobre cómo esos bloques de construcción pueden unirse entre sí. Los bloques virtuales utilizados en este trabajo inicial incluyen una forma de L, una forma de I, una forma de T y una forma de +. Además, según asegura el citado estudio, la disponibilidad de cada bloque de construcción tiene un límite definido, en paralelo con los recursos limitados que una termita podría encontrar en la naturaleza. Usando estas restricciones, el programa crea una arquitectura en una cuadrícula y luego esas arquitecturas se pueden traducir a modelos físicos 2-D o 3-D.
"Nuestro objetivo es generar geometrías desordenadas con propiedades definidas por el espacio combinatorio de algunas formas esenciales, como una línea recta, una cruz o una forma de 'L'. Estas geometrías se pueden imprimir en 3D con una variedad de formas constitutivas diferentes". Los materiales no serían los mismos que usan las termitas, dependerían de los requisitos de las aplicaciones que se le quisiera dar a lo que se construya emulando la forma de trabajar de estas arquitectas de la naturaleza.
Materiales más livianos y más resistentes inspirados en el modus operandi y en las reglas de la adyacencia de las termitas
No hay un nido de termitas igual a otro. Y el programa de crecimiento virtual desarrollado a partir de su estudio refleja esta aleatoriedad ;cada geometría creada por el programa es única. Cambiar la disponibilidad de bloques de construcción en forma de L, por ejemplo, da como resultado un nuevo conjunto de estructuras. Daraio y su equipo experimentaron con las entradas virtuales para generar más de 54 000 muestras arquitectónicas simuladas; las muestras podrían agruparse en grupos con diferentes características mecánicas que podrían determinar cómo se deforma un material, su rigidez o su densidad. Al graficar la relación entre el diseño de los bloques de construcción, la disponibilidad de recursos y las características mecánicas resultantes, Daraio y su equipo pueden analizar las reglas que marcan las construcción de estas estructuras aparentemente desordenadas. Estamos ante un nuevo paradigma en el análisis y la ingeniería de materiales.
“Queremos comprender las reglas fundamentales del diseño de materiales para luego crear materiales que tengan un desempeño superior en comparación con los que usamos actualmente en ingeniería… Por ejemplo, imaginamos la creación de materiales que sean más livianos pero también más resistentes a la fractura o mejores para absorber impactos mecánicos y vibraciones “afirma Daraio.
No se trata de copiar el nido de la termita, sino como lo construye, en un caos que es solo aparente. "Esta investigación tiene como objetivo controlar el desorden en los materiales para mejorar las propiedades mecánicas y funcionales utilizando herramientas analíticas y de diseño no explotadas antes", ha manifestado la investigadora.