Biomimetics as a strategy for the development of bioinspired structures for energy absorption based on fruits

  • Antônio Roberto Miranda de Oliveira
Palavras-chave: Biomimética ; Estruturas bioinspiradas ; Frutas ; Embalagem natural ; Absorção de energia ; Resistência ao choque

Resumo

 Esta revisão busca atualizar nosso conhecimento sobre frutas, suas estruturas, seus materiais para o desenvolvimento de produtos bioinspirados e suas respectivas aplicações envolvendo absorção de energia e dissipação de choque. Na natureza, encontraremos uma infinidade de estruturas biológicas que desempenham a função de proteção e resistência a choques. Este estudo enfoca uma das funções biologicamente mais importantes encontradas nas embalagens naturais - que consiste na proteção direta ou indireta contra danos mecânicos ou outras influências ambientais negativas que envolvam resistência ao choque - bem como a absorção de energia. Por meio da revisão sistemática da literatura, que inclui todas as pesquisas revisadas por pares, foram selecionados 21 trabalhos de pesquisa que são relevantes ao objetivo de garantir uma busca abrangente. Três bancos de dados de pesquisa foram identificados: (I) web of Science, (II) Scopus e (III) Science Direct. Apenas estudos empíricos primários foram incluídos. A revisão identificou várias situações onde a Biomimética e a metodologia de Bioinspiração são introduzidas para melhorias e solução de problemas tecnológicos por meio da análise, abstração, adaptação e transposição de princípios biológicos para o mundo técnico. Os resultados indicaram que as estruturas baseadas em frutas podem melhorar a eficiência da estrutura que tem o papel de fornecer um absorvedor bioinspirado eficaz para uma infinidade de designs de produtos. Embora existam diversos estudos, mais pesquisas são necessárias para utilização de novas tecnologias e novos ambientes para garantir recomendações que possam implementar a melhoria do desenvolvimento de projetos bioinspirados.

Referências

Antreich, S. J.; Xiao, N.; Huss, J. C.; Horbelt, N.; Eder, M.; Weinkamer, R., & Gierlinger, N. (2019). The Puzzle of the Walnut Shell: A Novel Cell Type with Interlocked Packing. Advanced Science, 1900644. https://doi:10.1002/advs.201900644

Benyus, J. M. (2002). Biomimicry: Innovation Inspired by Nature. Harper Perennial. Bührig-Polaczek, A.; Fleck, C.; Speck, T.; Schüler, P.; Fischer, S. F.; Caliaro, M., & Thielen, M. (2016). Biomimetic cellular metals—using hierarchical structuring for energy absorption.

Bioinspiration & Biomimetics, 11(4), 045002. https://doi:10.1088/1748-3190/11/4/045002 Conforto, E. C.; Amaral, D. C.; Silva, S. L. (2011); Roteiro para revisão bibliográfica sistemática: aplicação no desenvolvimento de produtos e gerenciamento de projetos. In: 8º.

Congresso Brasileiro de Gestão de Desenvolvimento de Produto - CBGDP 2011, Porto Alegre, RS, Brasil. Instituto de Gestão de Desenvolvimento do Produto – IGDP. Anais. Porto Alegre: IGDP. Website. https://repositorio.usp.br/item/002833837

Fischer, S. F.; Thielen, M.; Loprang, R. R.; Seidel, R.; Fleck, C.; Speck, T., & Bührig-Polaczek, A. (2010). Pummelos as Concept Generators for Biomimetically Inspired Low Weight Structures with Excellent Damping Properties. Advanced Engineering Materials, 12(12), B658–B663. https://doi:10.1002/adem.201080065

Fischer, S. F.; Thielen, M.; Weiß, P.; Seidel, R.; Speck, T.; Bührig-Polaczek, A., & Bünck, M. (2013). Production and properties of a precision-cast bio-inspired composite. Journal of Materials Science, 49(1), 43-51. https://doi:10.1007/s10853-013-7878-4

Flores-Johnson, E. A.; Carrillo, J. G.; Zhai, C. et al. Microstructure and mechanical properties of hard Acrocomia mexicana fruit shell. Sci Rep 8, 9668 (2018). https://doi.org/10.1038/ s41598-018-27282-8

Kaupp, G., & Naimi-Jamal, M. R. (2011). Nutshells’ mechanical response: from nanoindentation and structure to bionics models. Journal of Materials Chemistry, 21(23), 8389. https://doi:10.1039/c0jm03713c

Langella, C. (2019). Design & scienza. List. ISBN 8832080079. Li, T. T.; Wang, H.; Huang, S.-Y.; Lou, C.W., & Lin, J.-H. (2019). Bioinspired foam composites resembling pomelo peel: Structural design and compressive, bursting and cushioning properties. Composites Part B: Engineering, 172, 290–298. https://doi:10.1016/j.compositesb.2019.04.046

Looyrach, J.; Methacanon, P.; Gamonpilas, C.; Lekpittaya, P., & Lertworasirikul, A. (2015). Pomelo (Citrus maxima) Peel-Inspired Property for Development of Eco-Friendly LooseFill Foam. Key Engineering Materials, 659, 279-283. https://doi:10.4028/www.scientific.net/kem.659.279

Lu, C.; Hou, S.; Zhang, Z.; Chen, J.; Li, Q., & Han, X. (2019). The mystery of coconut overturns the crashworthiness design of composite materials. International Journal of Mechanical Sciences, 105244. https://doi:10.1016/j.ijmecsci.2019.105244

Oliveira, A. R. M. (2020). Immersive virtual reality environment as a strategic tool to enhance the user experience. Cuadernos Del Centro De Estudios De Diseño Y Comunicación, (87). https://doi.org/10.18682/cdc.vi87.3770

Org. Arruda et al. Tópicos em design: biomimética, sustentabilidade e novos materiais. Curitiba, PR: Insight, 2019. ISBN 978-85-62241-65-9.

Ortiz, J.; Zhang, G., & McAdams, D. A. (2018). Modeling of a Pomelo Peel Bioinspired Foam. Journal of Mechanical Design. https://doi:10.1115/1.4040911

Roehrs, Alex & André da Costa, Cristiano & Righi, Rodrigo & Farias, Kleinner. (2017). Personal Health Records: A Systematic Literature Review. Journal of Medical Internet Research. 19. e13. https://10.2196/jmir.5876.

San Ha, N.; Lu, G.; Shu, D., & Yu, T. X. (2019). Mechanical properties and energy absorption characteristics of tropical fruit durian (Durio zibethinus). Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 103603. https://doi:10.1016/j.jmbbm.2019.103603

San Ha, N.; Lu, G.; Shu, D., & Yu, T. X. (2019). Mechanical properties and energy absorption characteristics of tropical fruit durian (Durio zibethinus). Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 103603. https://doi:10.1016/j.jmbbm.2019.103603

Sanchez, C.; Arribart, H., & Giraud Guille, M. M. (2005). Biomimetism and bioinspiration as tools for the design of innovative materials and systems. Nature Materials, 4(4), 277-288. https://doi:10.1038/nmat1339

Schäfer, I.; Mlikota, M.; Schmauder, S., & Weber, U. (2020). Modelling the damping response of biomimetic foams based on pomelo fruit. Computational Materials Science, 183, 109801. https://doi:10.1016/j.commatsci.2020.109801

Seidel, R.; Thielen, M.; Schmitt, C. A.; Bührig-Polaczek, C. Fleck & T. Speck. (2010). Fruit Walls And Nut Shells As An Inspiration For The Design Of Bio-inspired Impact Resistant Hierarchically Structured Materials. Design and Nature V. https://doi:10.2495/DN100371

Sonego, M.; Fleck, C., & Pessan, L. A. (2020). Hierarchical levels of organization of the Brazil nut mesocarp. Scientific Reports, 10(1). https://doi:10.1038/s41598-020-62245-y

Speck, T. et al. (2018). Biomechanics and Functional Morphology of Plants - Inspiration for Biomimetic Materials and Structures. Em: Geitmann A., Gril J. (eds) Plant Biomechanics. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-79099-2_18

Thielen, M.; Schmitt, C. N. Z.; Eckert, S.; Speck, T., & Seidel, R. (2013). Structure–function relationship of the foam-like pomelo peel (Citrus maxima) – an inspiration for the devel-opment of biomimetic damping materials with high energy dissipation. Bioinspiration & Biomimetics, 8(2), 025001. https://doi:10.1088/1748-3182/8/2/025001

Tung, C.-C.; Wang, H.-J., & Chen, P.-Y. (2020). Lightweight, compression-resistant cellular structures inspired from the infructescence of Liquidambar formosana. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 103961. https://doi:10.1016/j.jmbbm.2020.103961

Van Opdenbosch, D.;Thielen, M.; Seidel, R.; Fritz-Popovski, G.; Fey, T.; Paris, O. & Zollfrank, C. (2012). The pomelo peel and derived nanoscale-precision gradient silica foams. Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials, 1(2), 117-122. https://doi:10.1680/bbn.11.00013

Wang, B.; Pan, B., & Lubineau, G. (2018). Morphological evolution and internal strain mapping of pomelo peel using X-ray computed tomography and digital volume correlation. Materials & Design, 137, 305-315. https://doi:10.1016/j.matdes.2017.10.038

Wang, H.; Li, T.-T.; Ren, H.; Peng, H.; Huang, S.-Y.; Lin, Q. & Lou, C.-W. (2019). Expanded Vermiculite-Filled Polyurethane Foam-Core Bionic Composites: Preparation and Thermal, Compression, and Dynamic Cushion Properties. Polymers, 11(6), 1028. https://doi:10.3390/polym11061028

Yang, Y.; Song, X.; Li, X.; Chen, Z.; Zhou, C.; Zhou, Q., & Chen, Y. (2018). Recent Progress in Biomimetic Additive Manufacturing Technology: From Materials to Functional Structures. Advanced Materials, 1706539. https://doi:10.1002/adma.201706539

Zhang, W.; Yin, S.; Yu, T. X., & Xu, J. (2019). Crushing resistance and energy absorption of pomelo peel inspired hierarchical honeycomb. International Journal of Impact Engineering, 125, 163-172. https://doi:10.1016/j.ijimpeng.2018.11.014

Zhao, N.; Wang, Z.; Cai, C.; Shen, H.; Liang, F.; Wang, D. & Xu, J. (2014). Bioinspired Materials: from Low to High Dimensional Structure. Advanced Materials, 26(41), 6994-7017. https://doi:10.1002/adma.201401718

Publicado
2021-12-28
Como Citar
Miranda de Oliveira, A. R. (2021). Biomimetics as a strategy for the development of bioinspired structures for energy absorption based on fruits. Cuadernos Del Centro De Estudios De Diseño Y Comunicación, (149). https://doi.org/10.18682/cdc.vi149.5523