Świat zwierząt i roślin inspirował naukowców od wieków, a naukowcy od dawna interesują się tym, dlaczego niektóre organizmy są odporne na uderzenia. Pomyśl o czaszce i dziobie dzięcioła, ochronnym sposobie, w jaki łuski ryb zachodzą na siebie, lub o grubej skórce, która zapobiega pęknięciu spadającego owocu.
powiązana zawartość
- Te eleganckie, seksowne samochody zostały zainspirowane przez ryby
- Jak Biomimicry inspiruje ludzkie innowacje
Jedną z supergwiazd na tym polu jest muszla królowej, rodzaj, który mógłbyś trzymać przy uchu, by usłyszeć ocean. Koncha królowej zostaje pobita przez fale i drapieżniki, ale struktura materiału, z którego składa się jej skorupa, jest niezwykle silna. Wynika to ze struktury skorupy, która ma skrzyżowane warstwy węglanu wapnia ułożone w różnych orientacjach i oddzielone bardziej miękkimi białkami, wyjaśnia profesor inżynierii MIT Markus Buehler, którego laboratorium zaprojektowało wykonaną przez człowieka replikę tej struktury, która mogłaby być używane w hełmach i innych zbrojach ochronnych oraz opublikowało wyniki w czasopiśmie Advanced Materials . Zarówno w wersji konchowej, jak i sztucznej, „ziarno” materiału zmienia się o 90 stopni, tak więc uderzenie z dowolnego kierunku jest mało prawdopodobne.
„Nie tylko możemy analizować te systemy i modelować je oraz próbować je optymalizować, ale możemy faktycznie tworzyć nowe nowe materiały przy użyciu tych geometrii”, mówi Buehler.
Naukowcy modelowali wcześniej strukturę skorupy, ale postępy w drukowaniu 3D doprowadziły zespół Buehlera do jej odtworzenia. Kluczową innowacją była wytłaczarka (dysza, przez którą przepływa materiał) zdolna do emitowania wielu, ale pokrewnych polimerów, jednego bardzo sztywnego i bardziej giętkiego, w celu odtworzenia warstw węglanu wapnia i białek skorupy. Ponieważ polimery są podobne, można je łączyć ze sobą bez kleju, co zmniejsza ich ryzyko rozpadu. W testach - przeprowadzanych przez upuszczenie 5, 6 kilogramowych obciążników stalowych o różnych prędkościach na arkusze materiału - skrzyżowana struktura wykazała 85-procentowy wzrost energii, którą mógłby pochłonąć, w porównaniu do tego samego materiału bez niego.
Projektowanie rzeczy opartych na naturze może wydawać się proste, ale jest o wiele więcej do rozważenia niż tylko bezpośrednie kopiowanie obiektu, zauważa profesor inżynierii mechanicznej Indiana University-Purdue University Indianapolis, Andreas Tovar. Tovar, który nie był związany z badaniem MIT, pracuje również nad inspirowanymi biologicznie konstrukcjami ochronnymi, takimi jak konstrukcja samochodu oparta na kropelce wody i chroniona strukturą podobną do klatki piersiowej.
Molekularna struktura muszli może kiedyś zostać wykorzystana do stworzenia mocniejszych hełmów lub pancerza. (Wikimedia Commons) „Istnieją dwa sposoby projektowania inspirowanego biologią” - mówi. „Jednym z nich jest obserwacja struktury w przyrodzie, a następnie próba jej naśladowania. Drugie podejście polega na naśladowaniu procesu tworzenia struktury przez naturę. ”Na przykład Tovar opracował algorytm naśladujący procesy komórkowe, które budują ludzkie kości, przykład drugiego podejścia. W przeciwieństwie do tego Buehler zaczął od większego materiału lub struktury organowej skorupy królowej i zapytał, jak odtworzyć tę strukturę za pomocą materiałów wytworzonych przez człowieka.
Zarówno praca Tovara, jak i Buehlera polega na rozpoznaniu, które części struktury mają zasadnicze znaczenie dla jej funkcji i jakie są ślady różnych presji ewolucyjnych. W przeciwieństwie do żywego organizmu, na przykład hełm inspirowany biologią nie musi obejmować funkcji biologicznych, takich jak oddychanie i wzrost.
„Jednym z kluczowych elementów jest to, że [laboratorium Buehlera] odwzorowuje hierarchiczną złożoność występującą w naturze, mówi Tovar. „Są w stanie wytwarzać przy użyciu metod wytwarzania przyrostowego. Testują i widzą imponujący wzrost wydajności mechanicznej ”.
Chociaż Buehler otrzymał fundusze z Departamentu Obrony, który jest zainteresowany hełmami i kamizelkami kuloodpornymi dla żołnierzy, mówi, że jest on równie odpowiedni i być może bardziej użyteczny w sporcie, takim jak kaski rowerowe lub piłkarskie. „Można je zoptymalizować, wyjść poza obecne wymagania projektowe, które są dość uproszczone - masz piankę, masz twardą skorupę i to wszystko” - mówi.
Nie ma jeszcze kasku, mówi Buehler - zbudowali materiał i planują go następnie zastosować do hełmów. A projekt jest ważny, nawet poza materiałem. „Nawet jeśli nie używamy sztywnych i miękkich materiałów, które tutaj zastosowaliśmy, tych, które wydrukowaliśmy w 3D, jeśli robisz to samo z innymi materiałami - możesz użyć stali i betonu lub innych rodzajów polimerów, może ceramiki - robiąc to samo, co oznacza te same struktury, możesz w rzeczywistości ulepszyć nawet ich właściwości, wykraczając poza to, co mogą zrobić samodzielnie ”- mówi.
