La composición estructural de la esponja cesta de Venus podría dar lugar a diseños avanzados para estructuras de todo el mundo.
Su forma y su constitución únicas le permiten responder a las fuerzas del aire y del agua.
La estructura de la esponja contribuye a reducir la resistencia, pero también facilita la creación de remolinos de baja velocidad dentro de la cavidad corporal.
Se prevé que el diseño pueda utilizarse en ingeniería mecánica e incluso en aviones.
Las notables propiedades estructurales de la esponja cesta de Venus esponja (E. aspergillum) podría parecer muy alejada de las estructuras creadas por el ser humano. Sin embargo, los conocimientos sobre cómo el entramado de orificios y crestas del organismo influye en la hidrodinámica del agua de mar de su entorno podrían dar lugar a diseños avanzados para edificios, puentes, vehículos marinos y aeronaves.
Si bien las investigaciones previas han estudiado la estructura de la esponja, se han realizado pocos estudios sobre los campos hidrodinámicos que la rodean y la atraviesan, y sobre si, además de mejorar sus propiedades mecánicas, los motivos esqueléticos de E. aspergillum sustentan la optimización de la física del flujo dentro y más allá de su cavidad corporal.
Maurizio Porfiri, de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York, codirigió el trabajo, que se publica en la revista Nature. El artículo revela una profunda conexión entre la estructura y la función de la esponja, arrojando luz tanto sobre la capacidad de la esponja cesta para resistir las fuerzas dinámicas del océano que la rodea como sobre su capacidad para crear un vórtice rico en nutrientes dentro de la cavidad corporal «cesta».
«Este organismo ha sido muy estudiado desde el punto de vista mecánico por su asombrosa capacidad para deformarse sustancialmente a pesar de su estructura frágil y vítrea», afirma el primer autor, Giacomo Falcucci, de la Universidad Tor Vergata de Roma y de la Universidad de Harvard. «Pudimos investigar aspectos de la hidrodinámica para comprender cómo la geometría de la esponja ofrece una respuesta funcional al fluido, para producir algo especial en cuanto a la interacción con el agua.»
«Al explorar el flujo de fluidos dentro y fuera de la cavidad corporal de la esponja, descubrimos las huellas de una adaptación esperada al entorno. La estructura de la esponja no solo contribuye a reducir la resistencia, sino que también facilita la creación de remolinos de baja velocidad dentro de la cavidad corporal, que se utilizan para la alimentación y la reproducción», añade Porfiri, coautor del estudio.
La estructura de E. aspergillum, reproducida por el coautor Pierluigi Fanelli, de la Universidad de la Tuscia, Italia, se asemeja a un delicado jarrón de vidrio con forma de tubo cilíndrico de paredes delgadas y un gran atrio central, con espículas silíceas, de ahí su denominación habitual de «esponjas de vidrio». Las espículas están compuestas por tres radios perpendiculares, que les dan seis puntas. Las espículas microscópicas se «entrelazan» para formar una malla muy fina, que confiere al cuerpo de la esponja una rigidez no presente en otras especies de esponjas y le permite sobrevivir a grandes profundidades en la columna de agua.
Para entender cómo lo hacen las esponjas cesta de Venus, el equipo utilizó intensamente el ordenador de clase exaescala Marconi100 del centro de computación de alto rendimiento CINECA, en Italia, capaz de crear simulaciones exhaustivas utilizando miles de millones de puntos de datos dinámicos y temporoespaciales en tres dimensiones.
Los investigadores también emplearon un software especial que permitió realizar simulaciones supercomputacionales basadas en los métodos de Boltzmann de red, una clase de métodos de dinámica de fluidos computacional para sistemas complejos que representa el fluido como un conjunto de partículas y sigue el comportamiento de cada una de ellas.
Los experimentos in silico, con unos 100 000 millones de partículas virtuales, reprodujeron las condiciones hidrodinámicas del fondo marino profundo donde E. aspergillum vive. Los resultados permitieron después al equipo explorar cómo la disposición de orificios y crestas de la esponja mejora su capacidad para reducir las fuerzas que ejerce el agua de mar en movimiento, y cómo su estructura afecta a la dinámica del flujo dentro de la cavidad corporal para optimizar la alimentación filtrante selectiva y el encuentro de gametos para la reproducción sexual.
«Este trabajo es una aplicación ejemplar de la dinámica de fluidos discreta en general y del método de Boltzmann de red en particular», afirma Sauro Succi, del Instituto Italiano de Tecnología y de la Universidad de Harvard, padre del método de Boltzmann de red. «La precisión del método, combinada con el acceso a uno de los mejores superordenadores del mundo, nos ha permitido realizar niveles de cálculo nunca intentados antes, lo que arroja luz sobre el papel de los flujos de fluidos en la adaptación de los organismos vivos en el abismo.»
«Nuestra investigación sobre el papel de la geometría de la esponja en su respuesta al flujo de fluidos tiene muchas implicaciones para el diseño de edificios de gran altura o, en realidad, de cualquier estructura mecánica, desde rascacielos hasta novedosas estructuras de baja resistencia para barcos o fuselajes de aviones», afirma Falcucci. «Por ejemplo, ¿habrá menos resistencia aerodinámica en los edificios de gran altura construidos con un entramado similar de crestas y orificios? ¿Optimizará la distribución de las fuerzas aplicadas? Responder a estas preguntas es un objetivo clave del equipo.»
El trabajo de investigación contó con el apoyo del CINECA Computational Grant, los proyectos PRIN, la Forrest Research Foundation, la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos y el Consejo Europeo de Investigación en el marco del programa Horizonte 2020.
