Животинският и растителен свят вдъхновяват учените от векове и учените отдавна се интересуват защо някои организми са устойчиви на въздействие. Помислете за черепа и клюна на кълвача, защитния начин на припокриване на люспите на рибата или плътната кора, която предпазва падащия плод да не се разруши.
Свързано съдържание
- Тези елегантни, секси коли бяха вдъхновени от риба
- Как биомимикрията вдъхновява човешките иновации
Една суперзвезда в това поле е раковината на кралицата с раковина, такава каквато може би сте държали на ухото си, за да чуете океана. Кралицата раковина бива побеждавана от вълни и хищници, но структурата на материала, който съставлява черупката й, е забележително здрава. Това се дължи на структурата на черупката, която се отличава с кръстосани кръстосани калциеви карбонатни слоеве, разположени в различни ориентации и разделени от по-меки протеини, обяснява инженерът на MIT Маркус Бюлер, чиято лаборатория е проектирала изкуствена реплика на тази структура, която може да бъде използван в каски и други защитни доспехи и публикува резултатите в списанието Advanced Materials . Както в раковината, така и в изкуствения вариант, „зърното” на материала се редува с 90 градуса, така че въздействието от която и да е конкретна посока е малко вероятно да преодолее пътя си.
„Не само можем да анализираме тези системи и да ги моделираме и да се опитаме да ги оптимизираме, но всъщност можем да създадем истински нови материали с тези геометрии“, казва Бюлер.
Учените са моделирали структурата на обвивката и преди, но напредъкът в 3D печат доведе до екипа на Buehler да може да я възпроизведе. Решаващото нововъведение беше екструдер (дюзата, през която преминава материалът), способна да отделя множество, но свързани полимери, този, който е много твърд и този, който е по-гъвкав, да възпроизвежда калциевия карбонат и протеиновите слоеве на черупката. Тъй като полимерите са подобни, те могат да бъдат свързани заедно без лепило, което прави по-малко вероятно да се разпаднат. В тестовете, които се провеждат чрез спускане на 5, 6-килограмови стоманени тежести с различна скорост върху листовете на материала, структурата с кръстосано кръстосване показа 85-процентово увеличение на енергията, която може да абсорбира, в сравнение със същия материал без него.
Може да изглежда просто да се проектират неща въз основа на природата, но има много повече за разглеждане, отколкото просто копиране на даден обект директно, посочва професорът по машиностроене от университета в Индиана, университет в Индианаполис Андреас Товар. Tovar, който не е свързан с изследването на MIT, също работи върху био-вдъхновени защитни конструкции, като например автомобилен дизайн, основан на водна капчица и защитен от структура, подобна на ребрата.
Молекулната структура на раковината може да бъде използвана някой ден за изработка на по-здрави каски или броня. (Wikimedia Commons) „Има два начина да направите био-вдъхновен дизайн“, казва той. „Единият е чрез наблюдение на структурата в природата и след това се опитва да имитира тази структура. Вторият подход е чрез имитиране на процеса, който природата прави, за да създаде структура. ”Товар например разработил алгоритъм за имитиране на клетъчните процеси, изграждащи човешки кости, пример за втория подход. Buehler, за разлика от тях, започна с по-големия материал или органно ниво на черупката на кралицата на черупките и попита как да пресъздаде тази структура с изкуствени материали.
Както работата на Товар, така и Бюлер включва откриване кои части от структурата са от съществено значение за неговата функция и какви са остатъците от различни еволюционни налягания. За разлика от живия организъм, био-вдъхновеният шлем например не е необходимо да включва биологични функции като дишане и растеж.
„Едно от ключовите елементи е, че [лабораторията на Бюлер] възпроизвежда йерархичната сложност, която се среща в природата, казва Товар. „Те са в състояние да произвеждат с помощта на адитивни методи на производство. Тестват и виждат това впечатляващо увеличение на механичните характеристики. "
Въпреки че Бюлер получи финансиране от Министерството на отбраната, което се интересува от каски и бронежилетки за войници, той казва, че това е също толкова приложимо и евентуално по-полезно в спорта, като каски за велосипеди или футбол. „Те биха могли да бъдат оптимизирани, биха могли да надхвърлят настоящите дизайнерски изисквания, които са доста опростени - имате някаква пяна, имате твърда обвивка и това е почти всичко“, казва той.
Все още няма шлем, казва Бюлер - те са изградили материала и планират да го прилагат върху каски следващия. И дизайнът е важен, дори отвъд материала. „Дори да не използваме твърдите и меки материали, които сме използвали тук, тези, които сме отпечатали 3D, ако правите същото с други материали - можете да използвате стомана и бетон или други видове полимери, може би керамика - правейки едно и също нещо, което означава едни и същи структури, вие всъщност можете да подобрите дори техните свойства, извън това, което те могат да направят сами “, казва той.
