Животные и растительные миры на протяжении веков вдохновляли ученых, и ученые давно интересовались, почему некоторые организмы устойчивы к воздействию. Подумайте о черепе и клюве дятла, о защитном способе пересечения чешуек рыбы или о толстой кожуре, которая не дает падающим плодам раскрыться.
Связанный контент
- Эти гладкие, сексуальные автомобили были вдохновлены рыбой
- Как биомимикрия вдохновляет инновации человека
Одна суперзвезда в этой области - раковина королевы-раковины, которую вы, возможно, подносили к уху, чтобы услышать океан. Раковину королевы избивают волны и хищники, но структура материала, из которого она состоит, очень сильна. Это происходит из-за структуры оболочки, в которой имеются перекрещенные слои карбоната кальция, разложенные в разных ориентациях и разделенные более мягкими белками, объясняет профессор инженерной техники MIT Маркус Бюлер, чья лаборатория разработала искусственную копию этой структуры, которая может быть использовал шлемы и другие защитные доспехи и опубликовал результаты в журнале Advanced Materials . Как в раковине, так и в искусственной версии, «зерно» материала чередуется на 90 градусов, так что воздействие от любого конкретного направления вряд ли будет проходить сквозь него.
«Мы можем не только проанализировать эти системы, смоделировать их и попытаться оптимизировать их, но мы действительно можем создавать действительно новые материалы с этими геометриями», - говорит Бюлер.
Ученые уже смоделировали структуру оболочки, но успехи в 3D-печати привели к тому, что команда Бюлер смогла воспроизвести ее. Важнейшим нововведением был экструдер (сопло, через которое проходит материал), способный испускать множество, но связанных полимеров, один из которых очень жесткий, а другой более податливый, для репликации слоев карбоната кальция и белка оболочки. Поскольку полимеры похожи, они могут быть связаны друг с другом без клея, что снижает вероятность их разрыва. В испытаниях, которые проводятся путем сбрасывания 5, 6-килограммовых стальных гирь с различными скоростями на листы материала, структура с перекрещенными точками показала увеличение энергии на 85 процентов по сравнению с тем же материалом без него.
Может показаться, что проектировать вещи, основанные на природе, просто, но есть гораздо больше, чем просто копировать объект, отмечает профессор Индианского Университета Пердью в Индианаполисе, инженер-механик Андреас Товар. Товар, который не был связан с исследованием Массачусетского технологического института, также работает над защитными конструкциями, основанными на биологическом воздействии, такими как дизайн автомобиля, основанный на капле воды и защищенный структурой, похожей на грудную клетку.
Молекулярная структура раковины когда-нибудь может быть использована для создания более прочных шлемов или бронежилетов. (Wikimedia Commons) «Есть два способа сделать био-вдохновенный дизайн», - говорит он. «Одним из них является наблюдение за структурой в природе, а затем попытка имитировать эту структуру. Второй подход заключается в том, чтобы имитировать процесс, который природа создает для создания структуры ». Например, Товар разработал алгоритм для имитации клеточных процессов, которые строят человеческие кости, пример второго подхода. Напротив, Бюлер начал с более крупного материала или структуры на уровне органа раковины королевской раковины и спросил, как воссоздать эту структуру с помощью искусственных материалов.
И работа Товара, и работа Бюлера включают в себя определение того, какие части структуры играют важную роль в ее функционировании, а также каковы признаки различных эволюционных давлений. Например, в отличие от живого организма, шлем на основе био-вдохновения не должен включать биологические функции, такие как дыхание и рост.
«Одним из ключевых моментов является то, что [лаборатория Бюлера] повторяет иерархическую сложность, которая встречается в природе, - говорит Товар. «Они могут производить с использованием методов аддитивного производства. Они тестируют и видят это впечатляющее повышение механических характеристик ».
Хотя Бюлер получил финансирование от Министерства обороны, которое интересуется шлемами и бронежилетами для солдат, он говорит, что оно применимо и, возможно, более полезно в спорте, например, велосипедных или футбольных шлемах. «Их можно оптимизировать, они могут выйти за рамки текущих требований к дизайну, которые довольно просты - у вас есть немного пены, у вас жесткая оболочка, и это почти все», - говорит он.
Там нет шлема, говорит Бюлер, - они создали материал и планируют применить его к шлемам дальше. И дизайн важен, даже вне материала. «Даже если мы не используем жесткие и мягкие материалы, которые мы использовали здесь, те, которые мы напечатали в 3D, если вы делаете то же самое с другими материалами - вы можете использовать сталь и бетон, или другие типы полимеров, возможно, керамику - Делая одно и то же, имея в виду одни и те же структуры, вы можете фактически улучшить даже их свойства, помимо того, что они могут делать самостоятельно », - говорит он.
