La struttura segreta dello scheletro dei ricci di mare

I ricci di mare nascondono un segreto evolutivo: uno scheletro leggero e resistente ispirato al modello Voronoi. Questa scoperta potrebbe rivoluzionare la progettazione di materiali innovativi, dall’aerospazio all’architettura.

V. Perricone et al., Journal of the Royal Society Interface, 19 (193), 2022

di Sara Bagherifard

I motivi poligonali sono molto comuni nelle forme e nelle strutture naturali. Questi modelli forniscono stabilità strutturale intrinseca ottimizzando, al tempo stesso, il rapporto resistenza-peso.

Analizzando l’architettura degli scheletri dei comuni ricci di mare (Paracentrotus lividus), un gruppo guidato dai ricercatori dell’Università della Campania “Luigi Vanvitelli” ha scoperto che tale struttura segue uno schema simile a quello trovato nei favi e nelle ali di libellula. È stata identificata un’evidente regolarità dell’endoscheletro, costituita da una rete microtrabecolare leggera e resistente. Analisi microstrutturali eseguite tramite microscopio elettronico a scansione hanno rivelato la presenza di un’incredibile molteplicità di strutture su scala microscopica, che variano da completamente ordinate a completamente caotiche. Sono proprio queste strutture che aiutano il riccio a conservare la sua forma di fronte agli attacchi dei predatori e agli stress ambientali.

Le caratteristiche meccaniche dello scheletro dei ricci

I tubercoli dello scheletro dei ricci, ovvero i siti in cui si attaccano le spine che resistono a forti forze meccaniche, sembrano seguire un tipo di ordine naturale chiamato “modello Voronoi”. Un modello di tassellatura Voronoi è un particolare tipo di scomposizione di uno spazio metrico che viene creato attraverso un processo matematico in grado di suddividere una regione in celle a forma di poligono costruite attorno a dei punti. Un modello Voronoi generato tramite computer ha dimostrato una corrispondenza dell’82% con il modello trovato negli scheletri dei ricci di mare. Tale schema è stato interpretato come una soluzione evolutiva vantaggiosa per la costruzione dello scheletro echinoide: utilizzando un design microstrutturale leggero, esso ottimizza la disposizione trabecolare, massimizza la resistenza organica e minimizza i costi metabolici della secrezione dello stereoma calcareo.

Le prospettive future

Ricci, libellule e api non sono gli unici beneficiari dell’architettura di Voronoi. Il team sta sviluppando una libreria di strutture bioispirate basate sul modello Voronoi che potrebbe servire per la progettazione biomimetica di materiali leggeri e resistenti. Grazie a tali ricerche potrebbero derivare nuovi e importanti sviluppi tecnologici, dal settore aerospaziale all’architettura, fino all’edilizia.

Metodologie di progettazione

Progettazione dinamica di rotori e organi rotanti

I sistemi meccanici che producono o trasmettono energia in movimento si affidano quasi sempre a sistemi di componenti rotanti. Rotori, alberi, giunti e cuscinetti non sono soltanto elementi funzionali ma rappresentano i componenti fondamentali per la dinamica di gran parte

Metodologie di progettazione

Progettazione industriale mediante metodo FEM

In molti ambiti della progettazione industriale, sempre più caratterizzata da cicli di sviluppo rapidi e sistemi a complessità crescente, la capacità di prevedere il comportamento strutturale di un componente o di un assieme meccanico risulta fondamentale. In questo scenario, la

Quaderni di progettazione

Un esempio di applicazione degli elementi monodimensionali

Nel precedente Quaderno di Progettazione abbiamo introdotto la teoria degli elementi monodimensionali, mostrando le varie formulazioni. In questa seconda puntata andremo a mostrare come modellare strutture composte da travature multiple e come creare le matrici di rigidezza dell’intera struttura. di