Az állatok és növények világa korán inspirálta a tudósokat, és a tudósokat már régóta érdekli az a kérdés, hogy egyes organizmusok miért képesek ellenállni az ütésnek. Gondolj a harkály koponyájára és a csőrére, a halak mérlegeinek átfedésére vagy a vastag héjára, amely megakadályozza a leeső gyümölcs kinyílását.
kapcsolodo tartalom
- Ezeket a karcsú, szexi autókat mind a hal ihlette
- Hogyan inspirálja a biomimicry az emberi innovációt?
Az egyik szupersztár ezen a területen a kagyló királyné. A királynő kagylót hullámok és ragadozók verik fel, de a héját alkotó anyag szerkezete figyelemre méltóan erős. Ennek oka a héj szerkezete, amely keresztezett keresztirányú kalcium-karbonát rétegeket különbözõ orientációkban helyezkedik el és lágyabb fehérjék választják el egymással - magyarázza Markus Buehler, az MIT mérnöki professzora, akinek a laboratóriuma ennek a szerkezetnek az ember által készített replikáját tervezte, amely lehet sisakokban és egyéb védő páncélokban használták, és az eredményeket az Advanced Materials folyóiratban tették közzé. Mind a kagyló, mind az ember által készített változatban az anyag „szemcséje” 90 fokkal váltakozik, így valószínű, hogy egy adott irányból történő ütés nem fog átjutni.
"Nem csak elemezhetjük ezeket a rendszereket, modellezhetjük azokat, és megpróbálhatjuk azokat optimalizálni, hanem valódi új anyagokat is létrehozhatunk ezekkel a geometriákkal" - mondja Buehler.
A tudósok már modellezték a héj szerkezetét, de a 3D nyomtatás terén elért haladás eredményeként Buehler csapata képes volt reprodukálni azt. A legfontosabb újítás az extruder (a fúvóka, amelyen az anyag átfolyik), amely képes több, de rokon polimer kibocsátására, amely nagyon merev és rugalmasabb, hogy megismételje a héj kalcium-karbonát- és proteinrétegeit. Mivel a polimerek hasonlóak, ragasztás nélkül összekapcsolhatók, így kisebb a valószínűsége, hogy szétválnak. A tesztekben - amelyeket 5, 6 kilogrammos acélsúly eltérő sebességgel történő csepegtetésével hajtanak végre az anyag lemezére - a keresztezett struktúra 85% -os növekedést mutatott az elnyelni képes energiában, mint ugyanazon anyag nélkül.
A természet alapú dolgok megtervezése egyszerűnek tűnik, de még sokkal többet kell fontolóra venni, mint pusztán egy tárgy közvetlen másolását - mutat rá Andreas Tovar, az Indiana University-Purdue Egyetem Indianapolis gépészmérnöki professzora. Tovar, aki nem volt kapcsolatban a MIT-tanulmánnyal, biológiai ihletésű védőszerkezeteken is dolgozik, például egy vízcseppen alapuló és egy bordákhoz hasonló szerkezettel védett autókonstrukción.
A kagylóhéj molekuláris szerkezete valamikor felhasználható erősebb sisakok vagy testpáncél készítésére. (Wikimedia Commons) „Kétféle módon lehet bio-ihlette ihletet készíteni” - mondja. „Az egyik a természetben levő struktúra megfigyelésén keresztül történik, majd megkíséreljük utánozni azt. A második megközelítés az, hogy utánozza azt a folyamatot, amelyet a természet egy struktúrát hoz létre. ”Például Tovar kifejlesztett egy algoritmust az emberi csontokat építő celluláris folyamatok utánozására, a második megközelítés példája. Buehler ezzel szemben a királynő kagyló nagyobb anyagával, vagy szervszintű szerkezetével kezdte, és azt kérdezte, hogyan lehet ezt a szerkezetet újból létrehozni ember által készített anyagokkal.
Tovar és Buehler munkája során fel kell tárni a szerkezet egyes részeit, amelyek szerepet játszanak annak funkciójában, és melyek a különféle evolúciós nyomások maradványai. Egy élő organizmussal ellentétben például a bio-ihlette sisaknak nem kell tartalmaznia biológiai funkciókat, mint például a légzés és a növekedés.
"Az egyik kulcsfontosságú elem, hogy [Buehler laboratóriuma] megismétli a természetben megfigyelt hierarchikus összetettséget - mondja Tovar. „Adalékanyag-előállítási módszerekkel képesek előállítani. Tesztelik, és látják, hogy ez a mechanikai teljesítmény e látványos növekedése ".
Noha Buehler a Védelmi Minisztériumtól kapott támogatást, amely a katonák sisakja és páncélja iránt érdeklődik, elmondja, hogy ugyanolyan alkalmazható és valószínűleg még hasznosabb a sportban, például a kerékpáros vagy a futball sisakokban. "Optimalizálhatók, meghaladhatják a jelenlegi tervezési követelményeket, amelyek meglehetősen egyszerűsíthetők - van némi hab, van egy kemény héja, és ez nagyon is jó" - mondja.
Még nincs sisak - mondja Buehler - ők készítették az anyagot, és azt tervezik, hogy a következő sisakokra alkalmazzák. És a tervezés fontos, még az anyagon túl is. „Még ha nem is használunk az itt használt merev és puha anyagokat, akkor azokat, amelyeket 3D-ben nyomtatottunk, ha ugyanazt csináljuk más anyagokkal - használhatunk acélt és betont, vagy más típusú polimereket, talán kerámiát - ha ugyanazt a tevékenységet végzi, azaz ugyanazokat a szerkezeteket jelenti, akkor valójában javíthatja még tulajdonságaikat is azon túl, amit önmagukban képesek megtenni ”- mondja.
