Loomade ja taimede maailm on teadlasi inspireerinud läbi aegade ning teadlasi on juba pikka aega huvitanud, miks teatud organismid on vastupidavad mõjule. Mõelge rähn koljule ja nokale, kala soomuste kaitsekattele kattumisele või paksu kamarale, mis hoiab langevad viljad lahti.
Seotud sisu
- Need klanitud, seksikad autod olid kõik kaladest inspireeritud
- Kuidas Biomimicry inspireerib inimeste innovatsiooni
Üks selle ala superstaar on kuninganna-koorikloom, selline, mida olete ehk kõrva ääres hoidnud, et ookeani kuulda. Kuningannakajakas saab lainete ja kiskjate poolt peksa, kuid selle koore moodustava materjali struktuur on märkimisväärselt tugev. Selle põhjuseks on kesta struktuur, millel on ristisuunas kaltsiumkarbonaadi kihid, mis on paigutatud erinevas orientatsioonis ja eraldatud pehmemate valkudega, selgitas MIT inseneriprofessor Markus Buehler, kelle laboratoorium kavandas selle struktuuri inimese loodud koopia, mis võiks olla kasutatakse kiivrites ja muudes kaitsevöödes ning avaldati tulemused ajakirjas Advanced Materials . Nii kotilo kui ka inimese loodud variandis vaheldub materjali “tera” 90 kraadi, nii et tõenäoliselt mõjub mis tahes konkreetsest suunast tulenev mõju läbi.
"Me mitte ainult ei suuda neid süsteeme analüüsida ja modelleerida ega proovida neid optimeerida, vaid saame ka nende geomeetriatega luua tõeliselt uusi materjale, " ütleb Buehler.
Teadlased on kesta struktuuri juba varem modelleerinud, kuid 3D-printimisel tehtud edusammud viisid Buehleri meeskonda selle reprodutseerimisega. Kriitiline uuendus oli ekstruuder (düüs, millest materjal voolab läbi), mis suudab eraldada paljusid, kuid omavahel seotud polümeere, mis on väga jäik ja painduvam, et kopeerida kaltsiumkarbonaadi ja valgu kihte. Kuna polümeerid on sarnased, saab neid omavahel kokku liimida ilma liimita, muutes nende lagunemise väiksemaks. Katsetes, mis viidi läbi 5, 6-kilogrammise terase raskuse langetamisel erineva kiirusega materjalilehtedele, näitas ristuv struktuur 85% energia suurenemist, mida see absorbeerida võis, võrreldes sama materjaliga ilma selleta.
Loodusel põhinevate asjade kujundamine võib tunduda lihtne, kuid kaaluda on palju enamat kui lihtsalt objekti otse kopeerimine, juhib tähelepanu Indiana ülikooli Purdue ülikooli Indianapolise masinaehituse professor Andreas Tovar. Tovar, kes polnud seotud MIT-i uuringuga, töötab ka bio-inspireeritud kaitsekonstruktsioonidel, näiteks autodisain, mis põhineb veepiiskadel ja mida kaitseb ribipuuriga sarnane konstruktsioon.
Mööblikoore molekulaarstruktuuri võidakse kunagi kasutada tugevamate kiivrite või soomusrüüde valmistamiseks. (Wikimedia Commons) "Bio-inspireeritud disaini tegemiseks on kaks viisi, " ütleb ta. „Üks on looduses oleva struktuuri vaatlemise kaudu ja siis üritatakse seda struktuuri jäljendada. Teine lähenemisviis on selle protsessi matkimine, mida loodus teeb struktuuri loomiseks. ”Näiteks Tovar töötas teise lähenemisviisi näitel välja algoritmi inimese luid moodustavate rakuprotsesside matkimiseks. Buehler seevastu alustas kuninganna-kooriklooma koore suuremat materjali ehk orelitaseme struktuuri ja küsis, kuidas seda struktuuri inimtehniliste materjalidega uuesti luua.
Nii Tovari kui ka Buehleri loomingus on vaja välja selgitada, millised konstruktsiooni osad on selle funktsiooniks olulised ja millised on erinevate evolutsioonisurvete jäägid. Erinevalt elusorganismist ei pea näiteks bio-inspireeritud kiiver sisaldama selliseid bioloogilisi funktsioone nagu hingamine ja kasv.
"Üks võtmetähtsusega teemasid on see, et [Buehleri labor] kordab looduses leiduvat hierarhilist keerukust, " ütles Tovar. „Nad on võimelised tootma lisaainete valmistamise meetodeid kasutades. Nad katsetavad ja näevad seda mehaanilise jõudluse muljetavaldavat suurenemist. "
Ehkki Buehler sai raha kaitseministeeriumilt, mis on huvitatud sõdurite kiivritest ja kehavöödest, on tema sõnul see spordis, nagu jalgratta- või jalgpallikiivrid, sama rakendatav ja võimalik, et kasulikum. "Neid saaks optimeerida, need võiksid ületada praegused projekteerimisnõuded, mis on üsna lihtsustatud - teil on mõni vaht, teil on kõva kest ja see on üsna palju, " ütleb ta.
Kiivrit veel pole, ütleb Buehler - nad on materjali ehitanud ja kavatsevad selle järgmiseks kiivritele kanda. Ja disain on oluline, ka materjalist kaugemal. „Isegi kui me ei kasuta siin kasutatud jäikaid ja pehmeid materjale, on need, mille oleme 3D-prindinud, kui teete sama asja teiste materjalidega - võite kasutada terast ja betooni või muud tüüpi polümeere, võib-olla keraamikat - tehes sama asja, tähendades samu struktuure, saate tegelikult parandada isegi nende omadusi, kaugemale sellest, mida nad saavad ise teha, ”sõnab ta.
