Ο κόσμος των ζώων και των φυτών έχει εμπνεύσει τους επιστήμονες για τις ηλικίες και οι επιστήμονες έχουν από καιρό ενδιαφέρονται για το γιατί ορισμένοι οργανισμοί είναι ανθεκτικοί στις επιπτώσεις. Σκεφτείτε το κρανίο και το ράμφος του δρυοκολάκου, τον προστατευτικό τρόπο που επικαλύπτονται οι ζυγαριές ψαριών ή τη χοντρή φλούδα που κρατά το φθινόπωρο φρέσκο.
σχετικό περιεχόμενο
- Αυτά τα κομψά, σέξι αυτοκίνητα ήταν όλα εμπνευσμένα από τα ψάρια
- Πώς η Βιοϊατρική ενθαρρύνει την Ανθρώπινη Καινοτομία
Ένα σούπερ σταρ σε αυτόν τον τομέα είναι το κοχύλι της βασίλισσας, το είδος που μπορεί να έχετε κρατήσει στο αυτί σας για να ακούσετε τον ωκεανό. Η βασίλισσα κόγχη παίρνει κτύπησε από τα κύματα και τα αρπακτικά, αλλά η δομή του υλικού που κάνει το κέλυφος του είναι αξιοσημείωτα ισχυρή. Αυτό οφείλεται στη δομή του κελύφους, η οποία χαρακτηρίζεται από διασταυρωμένα στρώματα ανθρακικού ασβεστίου που έχουν διαφορετικούς προσανατολισμούς και διαχωρίζονται από μαλακότερες πρωτεΐνες, εξηγεί ο καθηγητής μηχανικής MIT Markus Buehler, του οποίου το εργαστήριο σχεδίασε ένα τεχνητό αντίγραφο αυτής της δομής που θα μπορούσε να είναι που χρησιμοποιήθηκε σε κράνη και άλλα προστατευτικά πανοπλία και δημοσίευσε τα αποτελέσματα στο περιοδικό Advanced Materials . Και στην κόγχη και στην τεχνητή εκδοχή, ο "κόκκος" του υλικού εναλλάσσεται κατά 90 μοίρες, οπότε είναι απίθανο να προκληθεί κρούση από κάποια συγκεκριμένη κατεύθυνση.
"Όχι μόνο μπορούμε να αναλύσουμε αυτά τα συστήματα και να τα μοντελοποιήσουμε και να προσπαθήσουμε να τα βελτιστοποιήσουμε, αλλά μπορούμε πραγματικά να δημιουργήσουμε πραγματικά νέα υλικά με αυτές τις γεωμετρίες", λέει ο Buehler.
Οι επιστήμονες έχουν μοντελοποιήσει τη δομή του κελύφους πριν, αλλά η πρόοδος στην τρισδιάστατη εκτύπωση οδήγησε την ομάδα του Buehler να μπορεί να το αναπαράγει. Η βασική καινοτομία ήταν ένας εξωθητήρας (το ακροφύσιο στο οποίο διέρχεται το υλικό), ικανό να εκπέμπει πολλαπλά αλλά σχετικά πολυμερή, ένα πολύ σκληρό και ένα πιο εύκαμπτο, για την αντιγραφή των ανθρακικών και πρωτεϊνικών στρωμάτων του κελύφους. Επειδή τα πολυμερή είναι παρόμοια, μπορούν να συνδεθούν μαζί χωρίς κόλλα, καθιστώντας τα λιγότερο πιθανό να σπάσουν. Σε δοκιμές - οι οποίες διεξάγονται με πτώση βάρους χάλυβα 5, 6 χιλιογράμμων σε διαφορετικές ταχύτητες σε φύλλα υλικού - η διασταυρούμενη δομή έδειξε 85% αύξηση στην ενέργεια που θα μπορούσε να απορροφήσει, σε σύγκριση με το ίδιο υλικό χωρίς αυτό.
Μπορεί να φαίνεται απλό να σχεδιάζουμε πράγματα βασισμένα στη φύση, αλλά υπάρχουν πολλά άλλα που πρέπει να εξετάσουμε απ 'ό, τι ακριβώς να αντιγράψουμε ένα αντικείμενο απευθείας, επισημαίνει ο καθηγητής μηχανικής μηχανικής Ανδρέας Τόβερ του Πανεπιστημίου Indiana-Purdue Indianapolis. Η Tovar, η οποία δεν ήταν συνδεδεμένη με τη μελέτη MIT, εργάζεται επίσης σε βιολογικά εμπνευσμένες προστατευτικές δομές, όπως σχεδιασμό αυτοκινήτου βασισμένο σε σταγονίδια νερού και προστατευμένο από δομή παρόμοια με κλουβί.
Η μοριακή δομή του κελύφους της κόγχης θα μπορούσε κάποτε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει ισχυρότερα κράνη ή θωράκιση σώματος. (Wikimedia Commons) "Υπάρχουν δύο τρόποι για να κάνετε βιο-εμπνευσμένο σχεδιασμό", λέει. "Κάποιος είναι μέσω της παρατήρησης της δομής στη φύση και στη συνέχεια προσπαθεί να μιμηθεί αυτή τη δομή. Η δεύτερη προσέγγιση είναι η μίμηση της διαδικασίας που κάνει η φύση για να δημιουργήσει μια δομή ». Για παράδειγμα, ο Tovar ανέπτυξε έναν αλγόριθμο που μιμείται τις κυτταρικές διεργασίες που κατασκευάζουν ανθρώπινα οστά, ένα παράδειγμα της δεύτερης προσέγγισης. Ο Buehler, αντίθετα, ξεκίνησε με το μεγαλύτερο υλικό ή τη δομή του οργάνου, του κελύφους της βασίλισσας και ζήτησε να αναδημιουργηθεί αυτή η δομή με τεχνητά υλικά.
Τόσο το έργο του Tovar όσο και του Buehler περιλαμβάνει τον εντοπισμό των τμημάτων της δομής που είναι καθοριστικής σημασίας για τη λειτουργία του και ποια είναι τα απομεινάρια διαφορετικών εξελικτικών πιέσεων. Σε αντίθεση με έναν ζωντανό οργανισμό, ένα βιο-εμπνευσμένο κράνος, για παράδειγμα, δεν χρειάζεται να περιλαμβάνει βιολογικές λειτουργίες όπως η αναπνοή και η ανάπτυξη.
"Ένα βασικό κομμάτι είναι ότι [το εργαστήριο του Buehler] αναπαράγει την ιεραρχική πολυπλοκότητα που βρίσκεται στη φύση, λέει ο Tovar. "Είναι σε θέση να κατασκευάσουν μεθόδους παρασκευής προσθέτων. Δοκιμάζουν και βλέπουν αυτή την εντυπωσιακή αύξηση των μηχανικών επιδόσεων. "
Αν και ο Buehler έλαβε χρηματοδότηση από το Υπουργείο Άμυνας, το οποίο ενδιαφέρεται για κράνη και θωράκιση σώματος για στρατιώτες, λέει ότι είναι εξίσου εφαρμόσιμο και ίσως πιο χρήσιμο στον αθλητισμό, όπως ποδήλατα ή ποδοσφαιρικά κράνη. "Θα μπορούσαν να βελτιστοποιηθούν, θα μπορούσαν να υπερβούν τις τρέχουσες απαιτήσεις σχεδίασης, οι οποίες είναι αρκετά απλοϊκές - έχετε αφρό, έχετε σκληρό κέλυφος και αυτό είναι λίγο πολύ", λέει.
Δεν υπάρχει ακόμη κράνος, λέει ο Buehler - έχουν κατασκευάσει το υλικό και σχεδιάζουν να το εφαρμόσουν στα κράνη στη συνέχεια. Και ο σχεδιασμός είναι σημαντικός, ακόμη και πέρα από το υλικό. "Ακόμα κι αν δεν χρησιμοποιήσουμε τα σκληρά και μαλακά υλικά που χρησιμοποιήσαμε εδώ, αυτά που έχουμε 3D εκτυπωμένα, αν κάνετε το ίδιο με άλλα υλικά - μπορείτε να χρησιμοποιήσετε χάλυβα και σκυρόδεμα ή άλλα είδη πολυμερών, ίσως κεραμικά - κάνοντας το ίδιο πράγμα, που σημαίνει τις ίδιες δομές, μπορείτε πραγματικά να ενισχύσετε ακόμα και τις ιδιότητές τους, πέρα από αυτό που μπορούν να κάνουν μόνα τους ", λέει.
