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Estudo revela como as asas dos insetos resistem às colisões sem quebrar

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As asas da libélula consistem em uma rede de veias rígidas e áreas membranosas entre elas. Foto: Pixabay

Por diversas vezes, asas de abelhas forrageiras podem colidir com pequenos obstáculos como flores, folhas ou galhos durante o voo sem sofrer grandes danos a longo prazo. Ao mesmo tempo, elas suportam cargas aerodinâmicas sem esforço – embora as estruturas frágeis representem apenas 2% da massa total do corpo de um inseto. Cientistas do Zoological Institute da Kiel University (CAU) estão investigando como as asas dos insetos resistem a essas diferentes demandas sem quebrar. 

Em um artigo publicado na edição atual da revista “Advanced Science“, cientistas apresentam várias características especiais na estrutura da asa, graças às quais são estáveis ​​e flexíveis e, portanto, podem se adaptar a diferentes necessidades. A longo prazo, essas estratégias de projeto podem levar ao desenvolvimento de elementos estruturais que são portadores de carga, duráveis ​​e resistentes ao impacto ao mesmo tempo e permitem várias aplicações nos campos da robótica, aviação ou biomedicina.

As estruturas técnicas muitas vezes cumprem apenas uma das duas propriedades: ou podem suportar grandes cargas – como componentes de suporte de carga estáveis ​​em edifícios – ou são duráveis ​​e flexíveis que cedem em caso de impactos externos, como uma colisão. Se ambas as capacidades pudessem ser combinadas, elementos estruturais com “rigidez variável” poderiam ser desenvolvidos, os quais funcionariam de forma mais eficiente, mudando sua deformabilidade em resposta à mudança em seu ambiente externo. Estudos anteriores, no entanto, aplicam abordagens complicadas e caras que os tornam difíceis de serem usados ​​em aplicações da vida cotidiana.

Três elementos no design das asas dos insetos permitem uma adaptação flexível

“O que atualmente move a comunidade de engenharia, os insetos já se aperfeiçoaram: graças a um design especial, suas asas podem adotar diferentes graus de flexibilidade, dependendo do que a situação exigir”, diz o professor Stanislav Gorb, do grupo de trabalho “Morfologia Funcional e Biomecânica, “resumindo o resultado do estudo.

Até agora, a pesquisa biológica em asas de insetos tem se concentrado principalmente em aspectos aerodinâmicos. Apesar de seguir essa tendência, os pesquisadores do Zoological Institute examinaram mais de perto a estrutura das asas dos insetos, nesse caso as asas da libélula. Pela primeira vez, eles conectaram três elementos estruturais diferentes da estrutura da asa com a sua função: asseguram que as colisões e as forças do vento não podem prejudicar os insetos durante o seu voo: juntas flexíveis, travas mecânicas e zonas de flambagem.

As asas da libélula consistem em uma rede de veias rígidas e áreas membranosas entre elas. As veias são conectadas por juntas flexíveis. Isso permite que as asas se deformem sob cargas relativamente pequenas. Sob cargas mais altas, picos microscópicos na proximidade das microjunções se interligam e param a deformação. Eles aumentam a rigidez para apoiar a asa contra cargas aerodinâmicas. E, finalmente, zonas especiais na asa se dobram reversivelmente até certo ponto no caso de colisão com um obstáculo. “Graças a essas três estratégias de design, os insetos podem mudar as características de suas asas e, assim, cumprir várias funções ao mesmo tempo”, explica o estudante Ph.D. Ali Khaheshi, autor titular do estudo.

Mas a equipe de pesquisa deu um passo adiante: para testar se sua teoria sobre as estratégias de design de asas de inseto também resiste à aplicação prática, eles o aplicaram a um modelo de aeronave com um tamanho de 8 x 5 x 1,1 cm e um peso de 3,8 g. Eles imprimiram em 3D a partir do filamento PLA/ PLH e realizaram testes de colisão e queda livre. Descobriu-se que as asas sobreviveram às colisões, enquanto os modelos convencionais de aeronaves quebraram. Além disso, realizaram testes estáticos, dinâmicos e de fadiga com construções ligeiramente modificadas em que omitiram uma das estratégias de projeto em cada caso.

Clique no link abaixo e assista ao vídeo dos testes científicos:

https://www.youtube.com/watch?v=Z3VQp9b59KI&feature=emb_title

“Esses experimentos confirmam que são necessárias todas as três estratégias de projeto em combinação para obter os desempenhos mecânicos observados”, disse o engenheiro e cientista de materiais Khaheshi. Isso também pode funcionar com outros materiais de qualidade superior, supõem os pesquisadores.

O ponto principal é que as estratégias já estão integradas na estrutura das asas e funcionam totalmente passivas, não havendo necessidade de estratégias de controle complexas. “Essas percepções da biologia podem nos ajudar a construir sistemas técnicos que se adaptam de forma autônoma a situações extremas ou imprevistas – por exemplo, em ambientes onde os humanos não podem intervir ativamente, como em missões espaciais”, destacou o Dr. Hamed Rajabi.

Fonte: Phys.org