At lære nye tricks fra havsvampe, naturens mest usandsynlige civilingeniører

Forestil dig en fremtid, hvor bygninger knejser kilometervis over gaderne nedenfor, turister tager på dagsture til kanten af ​​vores atmosfære, og flere rumstationer kan ses drive hen over nattehimlen. For at gøre denne sci-fi-vision til virkelighed, vi bliver nødt til at skabe nye former for strukturer, der er lette, men stadig stærke og seje.

En traditionel tilgang til denne designproces ville involvere at skabe nye materialer, som superlegeringer – metaller, der er usædvanligt stærke og modstandsdygtige over for ekstreme temperaturer. Disse avancerede materialer har gjort os i stand til at flyve hurtigere end lydens hastighed og sende rovers til Mars.

Imidlertid, vi kan ikke bare "opfinde" nye kemiske grundstoffer, og der er kun et begrænset antal måder at blande og matche dem, vi allerede har. Vi er derfor nødt til at lære nye måder at arrangere aktuelt tilgængelige materialer på, så de resulterende strukturer er stærkere og sejere end materialerne selv.

Heldigvis, naturen har kæmpet med det samme problem i hundreder af millioner af år. I modsætning til ingeniører, imidlertid, naturen kommer ikke med nye arrangementer, eller "mekaniske designs, " ved hjælp af ligninger og computeralgoritmer. Snarere, det producerer mange forskellige designs gennem evolutionære mekanismer, som genetisk mutation. Derefter, gennem naturlig udvælgelse, organismer med bedre design overlever ofte dem med dårligere og videregiver tegningerne af disse designs til deres afkom gennem genetisk arv.

Denne evolutionære proces kan producere ekstremt effektive mekaniske designs, der ofte ikke ligner dem, der bruges i den konstruerede verden. For eksempel, Jeg studerer svampe, der lever på bunden af ​​havet, for at lære nye måder at lave stærkere bjælker på – de strukturer, der holder alt fra vores hjem til rammerne af vores biler og de broer, vi kører over.

Videnskaben bag bio-inspireret teknik

Bio-inspireret teknik er blevet et varmt emne i videnskabsverdenen. Målet er først at forstå, hvordan en biologisk strukturs mekaniske design forbedrer dens ydeevne, og derefter at anvende de fysikprincipper, der ligger til grund for dette design, til at skabe nye menneskeskabte strukturer.

For eksempel, de hårde skaller af muslinger og østers består af aragonit, et sprødt mineral, der er hovedingrediensen i kalksten. Muslingeskaller er hårde, fordi dette mineral ikke er tilfældigt pakket sammen, men snarere er arrangeret i et mønster, der ligner en mikroskopisk murstensvæg. Grænsefladerne mellem murstenene i denne væg forhindrer revner i at vokse i en lige vej gennem skallen.

Blot at kopiere og indsætte dette design for at skabe en ny menneskeskabt struktur ville ikke nødvendigvis give os en struktur med samme sejhed som skallen. Hellere, bio-inspireret ingeniørarbejde er en proces i flere trin.

Først, vi identificerer funktionen af ​​en naturlig struktur. For eksempel, skallen beskytter muslingen mod rovdyr. Næste, vi kvantificerer, hvordan den strukturs design påvirker dens udførelse af den funktion – i dette tilfælde, hvor stærk og sej muslingeskallen er sammenlignet med selve aragonit. Endelig, vi ønsker at forklare sammenhængen mellem design og ydeevne. Til muslingeskallen, dette ville betyde at udlede en ligning, der relaterer parametre som størrelsesforholdet af de mikroskopiske "klodser" i den til skallens sejhed.

Hvad gør svampe så stærke?

I modsætning til en blød, squishy køkkensvamp, den marine svamp, som jeg studerer, Euplectella aspergillum , er stiv og stærk. Den har et utroligt komplekst skelet, der består af en indviklet samling af fibre, kendt som spicules, ikke større end et menneskehår. Deres strukturelle funktion minder meget om de tusindvis af bjælker, der udgør Eiffeltårnet.

Svampens spicules er usædvanlige, fordi de næsten udelukkende er lavet af glas! Selvom vi typisk tænker på glas som et svagt og skørt materiale, spidserne er utrolig stærke og modstandsdygtige. Denne kontrast er det, der oprindeligt motiverede mig til at overveje, hvad der gør spiculerne så stærke - og hvordan de kan lære os at lave stærkere bjælker.

Lag fører til styrke

Min forskning fokuserer på en specialiseret gruppe af spicules, der fungerer som rødder til at forankre svampen til havbundens bløde sediment. Ved at forblive sikkert fastgjort til havbunden kan svampen pumpe vand gennem sin krop og filtrere mikroorganismer ud for at spise.

Som muslingens skal, ankerspiklerne har også et mikroskopisk mekanisk design. Hvis du skærer en op, vil du opdage, at spicules glas er arrangeret i koncentriske lag, der ligner træringe meget. Det er muligt, at dette mekaniske design tillader ankerspiklerne at bøje mere, før de knækker, og gør derfor svampens fastgørelse mere robust.

Jeg har undersøgt denne idé ved at måle, hvor meget ankerpiggene kan bøje, før de knækker, og sammenligne dem med spicules fra en anden svamp, der har den samme kemiske sammensætning, men ikke har nogen lag. Det viser resultaterne af dette eksperiment E. aspergillum spicules kan bøje ca. 2,4 gange mere end spicules uden lag.

Låser op for hemmeligheden bag stærkere strukturer

Det næste trin i min forskning er at forstå, hvorfor blot at arrangere glasset i koncentriske lag har så stor en effekt på bøjningsstyrken. Planen er at udlede ligninger, der kan forudsige styrken af ​​en bjælke med et vist antal koncentriske lag og lagtykkelser - det tredje trin i den bioinspirerede ingeniørproces. Hvis mine ligninger er rigtige, de burde være i stand til nøjagtigt at forudsige den styrkeforøgelse, jeg målte.

For et par år siden var jeg en del af et team, der udviklede en teoretisk model til at lave denne form for forudsigelse. Imidlertid, ligningerne, der udgør denne model, forudsiger, at lagene kun bør øge spiculens bøjningsstyrke med maksimalt 33 procent – ​​langt fra de 140 procents stigning, som jeg for nylig målte i de faktiske spicules. Denne forskel tyder på, at der mangler noget i vores model, og at vi er nødt til at gå tilbage og revidere disse ligninger.

Når vi har en præcis model, vi kunne bruge ligningerne til at designe spicule-lignende, lagdelte bjælker, der er meget stærkere end nutidens topmoderne strukturer. Disse lagdelte stråler kunne i sidste ende bruges til at lave raketter, flyvemaskiner, og rumhabitater, der er væsentligt lettere, og derfor mere effektiv, end dem vi bruger i dag. På en måde, designhemmeligheder fra havets bund kunne i sidste ende hjælpe os med at udforske nye verdener.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.