Živalski in rastlinski svet že več let navdihuje znanstvenike in znanstvenike že dolgo zanima, zakaj so nekateri organizmi odporni na vpliv. Pomislite na lobanjo in kljun klopi, na zaščitni način, kako se ribje luske prekrivajo, ali na debelo lupino, ki preprečuje, da bi se sadež razpadel.
Sorodne vsebine
- Te elegantne, seksi avtomobile so vse navdihnile ribe
- Kako biomimikrija navdihuje človeško inovacijo
Ena superzvezdnica na tem področju je lupina kraljične lupine, kakršno ste morda držali za uho, da bi slišali ocean. Kraljičino školjko premagajo valovi in plenilci, struktura materiala, ki sestavlja njeno lupino, pa je izjemno močna. To je posledica strukture lupine, ki ima križno prekrižane plasti kalcijevega karbonata, razporejene v različnih usmeritvah in ločene z mehkejšimi beljakovinami, razlaga profesor inženiringa MIT Markus Buehler, katerega laboratorij je zasnoval umetno izdelano kopijo te strukture, ki bi jo lahko uporabljali v čeladah in drugih zaščitnih oklepih ter rezultate objavili v reviji Advanced Materials . Tako v sklepu kot v umetni izvedbi se „zrno“ materiala spreminja za 90 stopinj, tako da verjetno ne bo vpliv udarca iz katere koli določene smeri.
"Ne le, da lahko analiziramo te sisteme in jih modeliramo ter jih skušamo optimizirati, ampak dejansko lahko ustvarimo nove nove materiale s temi geometrijami, " pravi Buehler.
Znanstveniki so že prej modelirali strukturo lupine, vendar je napredek 3D-tiskanja privedel do tega, da jo je Buehlerjeva ekipa lahko reproducirala. Ključna novost je bil ekstruder (šoba, skozi katero material teče), ki lahko oddaja več, vendar sorodnih polimerov, enega, ki je zelo trd in tistega, ki je bolj upogljiv, za kopiranje kalcijevega karbonatnega in beljakovinskega sloja lupine. Ker so polimeri podobni, jih je mogoče lepiti brez lepila, zaradi česar je manj verjetno, da bi se razpadli. V preskusih, ki so bili izvedeni s spuščanjem 5, 6-kilogramske uteži z različnimi hitrostmi na liste materiala, je križana struktura pokazala 85-odstotno povečanje energije, ki jo lahko absorbira, v primerjavi z istim materialom brez nje.
Oblikovanje stvari na podlagi narave se morda zdi preprosto, vendar je veliko več kot samo kopiranje predmeta, poudarja profesor strojništva Andreas Tovar University of Indiana University-Purdue University Indianapolis. Tovar, ki ni bil povezan s študijo MIT, deluje tudi na biološko navdahnjenih zaščitnih konstrukcijah, kot je avtomobilska zasnova, ki temelji na vodni kapljici in je zaščitena s strukturo, podobno rebrasti kletki.
Molekularno strukturo školjke lahko nekoč uporabimo za izdelavo močnejših čelad ali oklepov. (Wikimedia Commons) "Obstajajo dva načina za biološko navdih, " pravi. "Ena je skozi opazovanje strukture v naravi in nato poskušajo posnemati to strukturo. Drugi pristop je posnemanje procesa, ki ga narava ustvari strukturo. "Tovar je na primer razvil algoritem za posnemanje celičnih procesov, ki gradijo človeške kosti, primer drugega pristopa. Buehler je v nasprotju s tem začel z večjim materialom ali strukturo na organih iz lupine kraljične lupine in vprašal, kako to strukturo obnoviti z umetnimi materiali.
Tako Tovarjevo kot Buehlerjevo delo zaznava, kateri deli strukture so ključni za njegovo delovanje in kakšni so ostanki različnih evolucijskih pritiskov. Za razliko od živega organizma, na primer, čelada z navdihom ne vključuje bioloških funkcij, kot sta dihanje in rast.
"Ključni del je, da [Buehlerjev laboratorij] ponovi hierarhično kompleksnost, ki jo najdemo v naravi, pravi Tovar. »Izdelajo jih lahko z uporabo aditivnih metod. Testirajo in vidijo to impresivno povečanje mehanskih lastnosti. "
Čeprav je Buehler dobil sredstva od ministrstva za obrambo, ki ga zanimajo čelade in telesni oklepi za vojake, pravi, da je to ravno tako primerno in morda bolj uporabno v športu, kot so kolesarske ali nogometne čelade. "Optimizirati bi jih lahko, presegli bi sedanje oblikovne zahteve, ki so precej poenostavljene - nekaj pene imate, trdo lupino in to je precej, " pravi.
Še ni čelade, pravi Buehler - gradivo so izdelali in ga načrtujejo, da ga bodo naslednjič uporabili za čelade. In dizajn je pomemben, tudi onkraj materiala. "Tudi če ne uporabljamo trdih in mehkih materialov, ki smo jih uporabili tukaj, tiste, ki smo jih 3D natisnili, če isto storite z drugimi materiali - lahko uporabljate jeklo in beton ali druge vrste polimerov, morda keramiko - Če naredite isto stvar, kar pomeni iste strukture, lahko dejansko izboljšate celo njihove lastnosti, in sicer zunaj tistega, kar lahko naredijo sami, «pravi.
