Технології

Скелет морських губок надихнув учених на створення матеріалу нового типу

Дослідники з Гарвардської школи інженерії та прикладних наук ім. Джона А. Полсона (SEAS) використовують скляні скелети морських губок в якості натхнення для створення наступного покоління сильніших і вищих будівель, довших мостів і легших космічних кораблів. У новій статті, опублікованій в Nature Materials, дослідники показали, що посилена по діагоналі квадратна ґратчаста скелетна структура Euplectella aspergillum, глибоководної морської губки, має вище відношення міцності до маси, ніж традиційні гратчасті конструкції, які століттями використовувалися при будівництві будівель і мостів.

Image by Pixabay

У своєму дослідженні вчені виявили, що стратегія діагонального армування губки забезпечує найвищий опір подовжньому вигину для даної кількості матеріалу — її тіла. «Ми можемо створювати міцніші і більш пружні конструкції, розумно переставляючи існуючий матеріал у структурі», — пояснює Матеус Фернандес, аспірант в SEAS і перший автор статті.

«У багатьох областях, таких як аерокосмічна техніка, відношення міцності до ваги конструкції критично важливо», — додає Джеймс Уівер, старший науковий співробітник SEAS і один з авторів статті. «Ця геометрія, натхненна біологією, може забезпечити дорожню карту для розробки легших і міцніших структур для широкого спектра застосувань».

Скелет Euplectella aspergillum, глибоководної морської губки. Надано: Відеозапис надана навчальною лабораторією Гарварда.

Якщо ви коли-небудь проходили по критому мосту або збирали металеву полицю для зберігання речей, ви спостерігали архітектуру з діагональними гратами. У цьому типі конструкції використовується безліч невеликих близько розташованих діагональних балок для рівномірного розподілу прикладених навантажень. Ця геометрія була запатентована на початку 1800-х років архітектором і інженером-будівельником Ітіелем Тауном, який хотів створити міцні мости з легких і дешевих матеріалів.

Компанія Town розробила простий і економічний спосіб стабілізації квадратних ґратчастих конструкцій, який використовується донині. Він виконує свою роботу, але це не оптимально, що призводить до втрати або надмірної витраті матеріалу і обмеження висоти будівлі.

«Одне з основних питань, на якому грунтувалося це дослідження, полягав в тому, чи можемо ми зробити ці конструкції більш ефективними з точки зору розподілу матеріалів.  В кінцевому підсумку використовуючи менше матеріалу для досягнення тієї ж міцності? » — пояснює Фернандес.

Скляні губки, група, до якої належить Euplectella aspergillum, також відома як Квітковий кошик Венери, мала фору майже на півмільярда років в області досліджень і розробок. Щоб підтримувати своє трубчасте тіло, Euplectella aspergillum використовує два набори паралельних діагональних скелетних розпірок, які перетинаються і зливаються з квадратною сіткою, утворюючи міцний візерунок у вигляді шахової дошки.

Композитний рендеринг, який переходить від скління скляної губки зліва до ґрат на основі зварної арматури справа, підкреслюючи біологічний характер дослідження. Надано: зображення надано Пітером Алленом, Райаном Алленом і Джеймсом К. Уівер / Гарвард

«Ми вивчаємо взаємозв’язок між структурою і функцією в скелетних системах губок понад 20 років, і ці види продовжують нас дивувати», — підкреслює Уївер.

В ході моделювання та експериментів дослідники відтворили дизайн і порівняли кісткову архітектуру губки з існуючою геометрією решітки. Конструкція губки перевершила їх всі, витримуючи важчі навантаження. Дослідники показали, що парна паралельна перехресно-діагональна структура поліпшила загальну міцність конструкції більш ніж на 20 відсотків, без необхідності додавання додаткового матеріалу для досягнення цього ефекту.

Натхнення: hightech.fm

Кнопка «Наверх»