La Natura torna a farsi da ispiratrice per l’innovazione. È il caso di questo calcestruzzo biomimetico, ovvero che imita la Natura (in questo caso, le squame di pesce), sviluppato da un team di ricercatori della Princeton Engineering (Stati Uniti) grazie a una nuova tecnica che ne migliora la resistenza alle crepe, combinando design architettonici avanzati e tecnologie di stampa 3D.
Ispirazione dalla natura per migliorare il calcestruzzo biomimetico
Come racconta Eurekalert, i ricercatori del Princeton, guidati dal professor Reza Moini, hanno tratto ispirazione dalle strutture a doppia elica presenti nelle squame di un pesce preistorico, il celacanto.
Per replicare queste proprietà, il team ha ideato un design che organizza il calcestruzzo in filamenti tridimensionali. Con l’uso della stampa 3D robotizzata, ogni filamento viene debolmente collegato a quelli adiacenti. Poi, le varie configurazioni dei filamenti vengono combinate in forme più complesse, come travi, in modo da migliorare la resistenza del materiale alle crepe.
Questo avviene grazie a un arrangiamento a doppia elica che aumenta significativamente la capacità del calcestruzzo di contrastare la propagazione delle fratture. Il risultato è un aumento della resistenza del materiale del 63% rispetto al cemento tradizionale, aprendo nuove prospettive per il futuro delle costruzioni.
Il ruolo dei robot nella costruzione di materiali avanzati
Decisivo nello sviluppo di questo calcestruzzo biometrico è stato l’utilizzo di robot industriali di grandi dimensioni. Senza l’ausilio della robotica, creare strutture interne precise e progettate per resistere alle sollecitazioni sarebbe stato molto difficile.
La stampa 3D, con cui il robot deposita il calcestruzzo filamento per filamento, permette di esplorare nuove architetture complesse, impossibili da ottenere con i metodi tradizionali.
Sempre grazie all’ausilio della robotica i ricercatori sono riusciti anche a superare uno degli ostacoli principali: la tendenza del materiale fresco a deformarsi sotto il proprio peso. Durante la deposizione da parte del robot, i livelli superiori hanno cominciato a comprimere quelli inferiori, rischiando cosi di compromettere la precisione geometrica della struttura. Per superare questo problema, i ricercatori hanno sviluppato una soluzione personalizzata, introducendo un sistema di estrusione a due componenti.
Questo sistema utilizza un ugello robotizzato che mescola il cemento con un accelerante chimico appena prima della deposizione. Questo accelerante aiuta a controllare meglio il processo di indurimento del calcestruzzo, riducendo la deformazione e mantenendo intatta la struttura progettata.
Grazie a un’attenta calibrazione della quantità di accelerante, i ricercatori sono riusciti a ottenere un controllo preciso sulle forme finali e a minimizzare eventuali distorsioni. Il risultato è quindi un calcestruzzo super-resistente ma anche esteticamente accattivante.
Per saperne di più su questo studio, vi consigliamo la lettura integrale del paper pubblicato su Nature Communications.
Arjun Prihar, Shashank Gupta, Hadi S. Esmaeeli e Reza Moini, Tough double-bouligand architected concrete enabled by robotic additive manufacturing, Nature Communications (2024), DOI: s41467-024-51640-y.
