Marinesvampe inspirerer den næste generation af skyskrabere og broer

Når vi tænker på svampe, vi har en tendens til at tænke på noget blødt og blødt. Men forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) bruger de glasagtige skeletter af marine svampe som inspiration til den næste generation af stærkere og højere bygninger, længere broer, og lettere rumfartøjer.

I et nyt blad udgivet i Naturmaterialer , forskerne viste, at den diagonalt forstærkede firkantede gitterlignende skeletstruktur af Euplectella aspergillum, en dybvands marin svamp, har et højere styrke-til-vægt-forhold end de traditionelle gitterdesigns, der har brugt i århundreder ved konstruktion af bygninger og broer.

"Vi fandt ud af, at svampens diagonale forstærkningsstrategi opnår den højeste knækmodstand for en given mængde materiale, hvilket betyder, at vi kan bygge stærkere og mere modstandsdygtige strukturer ved intelligent at omarrangere eksisterende materiale i strukturen, sagde Matheus Fernandes, en kandidatstuderende ved SEAS og førsteforfatter af papiret.

"På mange områder såsom rumfartsteknik, styrke-til-vægt-forholdet i en struktur er kritisk vigtigt, " sagde James Weaver, en seniorforsker ved SEAS og en af ​​de tilsvarende forfattere af papiret. "Denne biologisk inspirerede geometri kunne give en køreplan for at designe lettere, stærkere strukturer til en bred vifte af applikationer."

Hvis du nogensinde har gået gennem en overdækket bro eller sammensat en metalhylde, du har set diagonale gitterarkitekturer. Denne type design bruger mange små, tætsiddende diagonale bjælker for jævnt at fordele påførte belastninger. Denne geometri blev patenteret i begyndelsen af ​​1800 -tallet af arkitekten og civilingeniøren, Ithiel by, der ønskede en metode til at lave robuste broer ud af lette og billige materialer.

"Byen udviklede en enkel, omkostningseffektiv måde at stabilisere firkantede gitterstrukturer på, som bruges den dag i dag, " sagde Fernandes. "Det får arbejdet gjort, men det er ikke optimalt fører til spildt eller overflødigt materiale og et loft over, hvor højt vi kan bygge. Et af hovedspørgsmålene bag denne forskning var, kan vi gøre disse strukturer mere effektive ud fra et materialetildelingsperspektiv, i sidste ende bruger mindre materiale for at opnå den samme styrke?"

Heldigvis, glassvampene, gruppen, som Euplectella aspergillum - ellers kendt som Venus' blomsterkurv, tilhører - havde et forspring på næsten en halv milliard år på forsknings- og udviklingssiden. For at støtte dens rørformede krop, Euplectella aspergillum anvender to sæt parallelle diagonale skeletstivere, som skærer over og er smeltet sammen med et underliggende firkantet gitter, at danne et robust skakbrætlignende mønster.

"Vi har studeret struktur-funktionsforhold i svampeskeletsystemer i mere end 20 år, og disse arter fortsætter med at overraske os, " sagde Weaver.

I simuleringer og eksperimenter, forskerne gentog dette design og sammenlignede svampens skeletarkitektur med eksisterende gittergeometrier. Svampdesignet overgik dem alle, modstå tungere belastninger uden at bøje. Forskerne viste, at den parrede parallelle krydsede-diagonale struktur forbedrede den samlede strukturelle styrke med mere end 20 procent, uden behov for at tilføje yderligere materiale for at opnå denne effekt.

"Vores forskning viser, at erfaringer fra studiet af svampeskeletsystemer kan udnyttes til at bygge strukturer, der er geometrisk optimeret til at forsinke knækning, med enorme konsekvenser for forbedret materialeanvendelse i moderne infrastrukturelle applikationer, "sagde Katia Bertoldi, William og Ami Kuan Danoff professor i anvendt mekanik ved SEAS og en tilsvarende forfatter til undersøgelsen.