Lumea animalelor și a plantelor i-a inspirat pe oameni de știință de vârstă, iar oamenii de știință s-au interesat de mult timp de ce anumite organisme sunt rezistente la impact. Gândiți-vă la craniul și ciocul unui picar, la felul de protecție al cântarilor unui pește sau la coaja groasă care împiedică să se deschidă un fruct în cădere.
Continut Asemanator
- Aceste mașini elegante, elegante, erau toate inspirate de pește
- Cum Biomimicry inspiră inovația umană
Un superstar în acest domeniu este cochilia reginei, genul pe care l-ați putut ține până la ureche pentru a auzi oceanul. Conch regina este bătut de valuri și prădători, dar structura materialului care alcătuiește cochilia este remarcabil de puternică. Acest lucru se datorează structurii cochiliei, care prezintă straturi de carbonat de calciu încrucișate, dispuse în diferite orientări și separate de proteine mai moi, explică profesorul de inginer MIT Markus Buehler, al cărui laborator a proiectat o replică artificială a acestei structuri care ar putea fi utilizat în căști și alte armuri de protecție și a publicat rezultatele în revista Advanced Materials . Atât în vârf, cât și în varianta creată de om, „bobul” materialului alternează cu 90 de grade, astfel încât impactul din orice direcție particulară este puțin probabil să se extindă.
„Nu numai că putem analiza aceste sisteme și le modelăm și încercăm să le optimizăm, dar putem crea de fapt materiale noi cu aceste geometrii”, spune Buehler.
Oamenii de știință au modelat structura învelișului înainte, dar progresele în imprimarea 3D au condus la echipa lui Buehler să o poată reproduce. Inovația crucială a fost un extruder (duza prin care circulă materialul) capabil să emită mai mulți polimeri, dar înrudiți, unul foarte rigid și unul mai flexibil, pentru a reproduce carbonatul de calciu și straturile proteice ale cochiliei. Deoarece polimerii sunt similari, ei pot fi legați fără lipici, ceea ce îi face mai puțin probabil să se despartă. În testele - care sunt realizate prin scăderea greutăților de oțel de 5, 6 kilograme la viteze diferite pe foile materialului - structura încrucișată a arătat o creștere cu 85% a energiei pe care ar putea-o absorbi, comparativ cu același material fără ea.
Poate părea simplu să proiectăm lucruri bazate pe natură, dar este mult mai mult de luat în considerare decât să copiezi direct un obiect, subliniază profesorul de inginerie mecanică Indiana University-Purdue, Universitatea Indianapolis, Andreas Tovar. Tovar, care nu a fost afiliat studiului MIT, lucrează și la structuri de protecție inspirate din bio, cum ar fi un proiect de mașină bazat pe o picătură de apă și protejat de o structură similară cu o cușcă.
Structura moleculară a cochiliei poate fi folosită într-o zi pentru confecționarea căștilor mai puternice sau a armurilor corporale. (Wikimedia Commons) „Există două moduri de a face designul inspirat de bio”, spune el. „Unul se face prin observarea structurii din natură și apoi se încearcă imitarea acestei structuri. A doua abordare este prin imitarea procesului pe care natura îl face pentru a crea o structură. ”De exemplu, Tovar a dezvoltat un algoritm pentru a imita procesele celulare care construiesc oasele umane, un exemplu al celei de-a doua abordări. În schimb, Buehler a început cu materialul mai mare, sau cu structura la nivel de organ, a cochiliei regine și a întrebat cum să recreeze acea structură cu materiale artificiale.
Atât opera lui Tovar, cât și cea a lui Buehler implică să discerne ce părți ale structurii sunt instrumentale pentru funcția sa și care sunt vestigiile diferitelor presiuni evolutive. Spre deosebire de un organism viu, de exemplu, o cască de inspirație bio, nu trebuie să includă funcții biologice precum respirația și creșterea.
„O piesă cheie este că [laboratorul lui Buehler] replică complexitatea ierarhică care se regăsește în natură, spune Tovar. „Sunt capabili să fabrice folosind metode de fabricație aditivă. Testează și văd această creștere impresionantă a performanței mecanice ".
Deși Buehler a primit finanțare de la Departamentul Apărării, care este interesat de căști și armuri de caroserie pentru soldați, el spune că este la fel de aplicabil și, probabil, mai util, în sport, cum ar fi casca de bicicletă sau de fotbal. „S-ar putea optimiza, s-ar putea depăși cerințele actuale de proiectare, care sunt destul de simpliste - aveți puțină spumă, aveți o coajă dură și cam atât”, spune el.
Nu este încă cască, spune Buehler - au construit materialul și intenționează să îl aplice pe căști. Iar designul este important, chiar și dincolo de material. „Chiar dacă nu folosim materialele rigide și moi pe care le-am folosit aici, cele pe care le-am imprimat 3D, dacă faceți același lucru cu alte materiale - puteți utiliza oțel și beton, sau alte tipuri de polimeri, poate ceramică - făcând același lucru, însemnând aceleași structuri, puteți îmbunătăți de fapt chiar și proprietățile lor, dincolo de ceea ce pot face singure ”, spune el.
