Morskie gąbki inspiracją dla następnej generacji drapaczy chmur i mostów [wideo]

Architektura inspirowana biologią może utorować drogę dla mocniejszych i lżejszych konstrukcji. Kiedy mówimy o gąbkach, zwykle myślimy o czymś miękkim. Jednak naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) używają szkieletów gąbek morskich jako inspiracji dla następnej generacji silniejszych i wyższych budynków, dłuższych mostów i lżejszych statków kosmicznych.

W nowym artykule opublikowanym w Nature Materials naukowcy wykazali, że wzmocniona ukośnie kwadratowa struktura szkieletowa przypominająca kratkę Euplectella aspergillum, głębinowej gąbki morskiej, ma wyższy stosunek wytrzymałości do masy niż tradycyjne konstrukcje kratowe, używane od wieków do budowy budynków i mostów.

„Odkryliśmy, że strategia wzmocnienia ukośnego gąbki zapewnia najwyższą odporność na wyboczenie dla danej ilości materiału, co oznacza, że ​​możemy budować silniejsze i bardziej sprężyste struktury, inteligentnie przestawiając istniejący materiał w strukturze” - powiedział Matheus Fernandes, absolwent SEAS i pierwszy autor artykułu.

„W wielu dziedzinach, takich jak inżynieria lotnicza, stosunek wytrzymałości do masy konstrukcji jest niezwykle ważny” - powiedział James Weaver, starszy naukowiec w SEAS i jeden z odpowiednich autorów artykułu. „Ta inspirowana biologicznie geometria może stanowić mapę drogową dla projektowania lżejszych, mocniejszych konstrukcji do szerokiego zakresu zastosowań”.

„Miasto opracowało prosty i opłacalny sposób stabilizacji kwadratowych struktur kratowych, który jest używany do dziś” - powiedział Fernandes. „Wykonuje swoje zadanie, ale nie jest optymalne, co prowadzi do marnowania materiału i ograniczenia wysokości, jaką możemy zbudować. Jednym z głównych pytań napędzających te badania było to, czy możemy uczynić te struktury bardziej wydajnymi z punktu widzenia alokacji materiałów, ostatecznie zużywając mniej materiału, aby osiągnąć tę samą wytrzymałość?”

Na szczęście szklane gąbki, grupa, do której należy Euplectella aspergillum - inaczej nazywana koszyczkiem Wenery - miała prawie pół miliarda lat przewagi w dziedzinie badań i rozwoju. Aby podeprzeć swój rurowy korpus, Euplectella aspergillum wykorzystuje dwa zestawy równoległych ukośnych rozpórek szkieletowych, które przecinają się i są połączone z leżącą pod spodem kwadratową siatką, tworząc solidny wzór przypominający szachownicę.

„Od ponad 20 lat badamy zależności struktura-funkcja w układach szkieletowych gąbki i te gatunki nadal nas zaskakują” - powiedział Weaver.

W symulacjach i eksperymentach naukowcy odtworzyli ten projekt i porównali szkieletową strukturę gąbki z istniejącymi geometriami kratownic. Konstrukcja gąbki przewyższała je wszystkie, wytrzymując większe obciążenia bez wyboczenia.

„Nasze badania pokazują, że wnioski wyciągnięte z badań układów szkieletowych gąbki można wykorzystać do budowy struktur zoptymalizowanych geometrycznie w celu opóźnienia wyboczenia, co ma ogromne konsekwencje dla lepszego wykorzystania materiałów w nowoczesnych zastosowaniach infrastrukturalnych” - powiedziała Katia Bertoldi z William and Ami Kuan Danoff Professor of Applied Mechanics at SEAS i korespondent autor badania.