Морские губки вдохновляют новое поколение небоскребов и мостов

Когда мы думаем о губках, мы склонны думать о чем-то мягком и мягком. Но исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) используют стеклянные скелеты морских губок в качестве вдохновения для создания следующего поколения более сильных и высоких зданий, более длинных мостов и более легких космических кораблей.

В новой статье, опубликованной в Nature Materials , исследователи показали, что усиленная по диагонали квадратная решетчатая скелетная структура Euplectella aspergillum, глубоководной морской губки, имеет более высокое отношение прочности к массе, чем традиционные решетчатые конструкции, которые имеют веками использовались при строительстве зданий и мостов.

«Мы обнаружили, что стратегия диагонального армирования губки обеспечивает наивысшее сопротивление продольному изгибу для данного количества материала, что означает, что мы можем создавать более прочные и более упругие конструкции, разумно переставляя существующий материал в структуре», — сказал Матеус Фернандес, аспирант в SEAS и первый автор статьи.

«Во многих областях, таких как аэрокосмическая техника, отношение прочности к весу конструкции критически важно», — сказал Джеймс Уивер, старший научный сотрудник SEAS и один из авторов статьи. «Эта геометрия, вдохновленная биологией, может обеспечить дорожную карту для разработки более легких и прочных структур для широкого спектра применений».

Если вы когда-нибудь проходили по крытому мосту или собирали металлическую полку для хранения вещей, вы видели архитектуры с диагональной решеткой. В этом типе конструкции используется множество небольших близко расположенных диагональных балок для равномерного распределения приложенных нагрузок. Эта геометрия была запатентована в начале 1800-х годов архитектором и инженером-строителем Итиэлем Таун, который хотел создать прочные мосты из легких и дешевых материалов.

«Компания Town разработала простой и экономичный способ стабилизации квадратных решетчатых конструкций, который используется по сей день», — сказал Фернандес. «Он выполняет свою работу, но это не оптимально, что приводит к потере или избыточному расходу материала и ограничению того, какую высоту мы можем построить. Один из основных вопросов, на который основывалось это исследование, заключался в том, можем ли мы сделать эти конструкции более эффективными с точки зрения распределения материалов. , в конечном итоге используя меньше материала для достижения той же прочности? «

К счастью, стеклянные губки, группа, к которой принадлежит Euplectella aspergillum, также известная как Цветочная корзина Венеры, имели фору почти на полмиллиарда лет в области исследований и разработок. Чтобы поддерживать свое трубчатое тело, Euplectella aspergillum использует два набора параллельных диагональных скелетных распорок, которые пересекаются и сливаются с лежащей под ним квадратной сеткой, образуя прочный узор в виде шахматной доски.

«Мы изучаем взаимосвязи между структурой и функцией в скелетных системах губок более 20 лет, и эти виды продолжают нас удивлять», — сказал Уивер.

В ходе моделирования и экспериментов исследователи воспроизвели этот дизайн и сравнили скелетную архитектуру губки с существующей геометрией решетки. Конструкция губки превзошла их все, выдерживая более тяжелые нагрузки без коробления. Исследователи показали, что парная параллельная перекрестно-диагональная структура улучшила общую прочность конструкции более чем на 20 процентов, без необходимости добавления дополнительного материала для достижения этого эффекта.

«Наше исследование показывает, что уроки, извлеченные из изучения скелетных систем губки, могут быть использованы для создания структур, геометрически оптимизированных для задержки коробления, с огромными последствиями для улучшения использования материалов в современных инфраструктурных приложениях», — сказали Катя Бертольди, Уильям и Ами Куан Данофф, профессор прикладной механики SEAS и автор исследования.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Гарвардской школой инженерных и прикладных наук Джона А. Полсона . Оригинал написан Лией Берроуз. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Матеус К. Фернандес, Джоанна Айзенберг, Джеймс К. Уивер, Катя Бертольди. Механически прочные решетки, напоминающие губки из глубоководного стекла . Материалы природы , 2020; DOI: 10.1038 / s41563-020-0798-1