Investigando cascos más inteligentes

Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne, del Laboratorio de Investigación del Ejército y de la Universidad Northwestern están recopilando y descifrando datos de rayos X de alta energía transmitidos a los cráneos humanos, para comprender mejor la mecánica ósea y desarrollar cascos militares más inteligentes y protectores.

El líder del grupo de la División de Ciencias de Rayos X de Argonne y físico Jonathan Almer explicó a Nextgov, cómo la Fuente de Fotones Avanzada del laboratorio (APS), está ayudando a detectar nuevos conocimientos “sin precedentes” sobre la composición de los cráneos y sus respuestas a los impactos.

Inaugurada en 1996, la APS acoge cada año a más de 5.500 investigadores de los sectores público, privado y académico para llevar a cabo experimentos en muchas áreas, como la química y la investigación en ciencias de la vida, que podrían conducir al desarrollo de nuevos materiales y medicamentos. Se sienten atraídos por los rayos X profundamente penetrantes de la instalación que les permiten ver la estructura de la materia a nivel molecular y atómico. Almer dijo que el APS es como “un microscopio gigante” que usa rayos X de alta energía para ver a través de los materiales, similar a la energía que los médicos y dentistas emplean para ver los huesos de sus pacientes.

“Pero los nuestros son mil millones de veces más brillantes”, dijo Almer. “Eso significa que podemos hacer cosas en escalas de tiempo y espacio que la mayoría de los microscopios no pueden hacer.”

A través de una colaboración continua con científicos del laboratorio, ARL y Northwestern, el APS se está empleando para perfeccionar la microestructura del cráneo humano. Los expertos están evaluando cómo responden los huesos de la cabeza a los impactos, por lo que usan los datos del haz de rayos X para informar a los modelos informáticos con los que se trabaja en el desarrollo de cascos avanzados.

En junio, los investigadores se conectaron para un experimento de 3 días, en el que realizaron radiografías APS sin parar en muestras de cráneos humanos de todas las partes de la cabeza, recolentando alrededor de un terabyte de datos sobre la estructura y direccionalidad de los huesos.

“El experimento fue algo muy intenso”, dijo Almer. “Una de las cosas clave que querían entender, y que no habían sido reveladas antes, era lo anisotrópico o direccional que era el hueso.”

Los poderosos rayos X permitieron a los científicos ver grandes volúmenes de los materiales de los cráneos hasta el nanómetro, una visión sin precedentes, según Almer. Todavía están evaluando datos sobre las densidades y propiedades de los minerales, pero como mencionó el físico, hicieron descubrimientos más rápidos sobre la anisotropía, o sobre cómo varían las propiedades mecánicas dependiendo de la orientación. Algunos modelos computarizados tratan los huesos del cráneo como isotrópicos, o lo mismo en todas las direcciones, lo que la investigación rápidamente indicó que podría no ser el caso. Los científicos observaron huesos que no estaban lesionados y tenían fracturas, lo que les ayudó a ver cómo se dispersa la energía y cómo se despliegan las tensiones en la estructura cuando se golpea el cráneo.

Los conocimientos sobre la anisotropía y los datos recopilados se aplicarán a modelos computacionales para ayudar a los investigadores a comprender cómo se comportan los huesos y cómo se dispersan las fracturas, con la esperanza final de crear cascos que puedan detener esa dispersión.

“Obviamente queremos proteger nuestro órgano más importante, el cerebro, para que, al entender mejor la mecánica, se puedan tomar estos datos y ponerlos en modelos de mecánica craneal, acoplarlos con el desarrollo del casco y ponerlos en un solo tipo de paquete para mejorar nuestra susceptibilidad al daño”, dijo. “Al entender más profundamente la mecánica ósea podemos construir mejores cascos de los soldados, lo que por supuesto, tiene implicaciones más amplias, por ejemplo, para los cascos de los ciclistas”.

El APS también colabora con el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea, que usa las herramientas para estudiar materiales relevantes para la industria aeroespacial, como el titanio, el aluminio y el níquel. Almer dijo que los estudios han dado paso a un equipo único, que permite a los expertos aplicar una carga mecánica a los materiales que se evalúan, simular las condiciones en vuelo y, en última instancia, ver cómo se deforman. A medida que los experimentos del Laboratorio de Investigación del Ejército con el cráneo continúan, el físico dijo que, el equipo quiere aplicar ese sistema de carga mecánica al cráneo y simular una condición de daño para ver cómo se comportan los materiales.

El físico dijo que, si bien es posible hacer grandes descubrimientos de forma independiente, atraer a expertos de muchas disciplinas diferentes para que se sumerjan en un proyecto de cooperación, como el enfoque de vanguardia para reforzar la protección de las cabezas de los soldados, “realmente amplía el alcance del mismo y también el impacto”.

“Estamos ayudando a una variedad de científicos de todas las disciplinas científicas a resolver problemas, lo que conduce a muchos descubrimientos y avances”, dijo Almer.

Fte. Nextgov