Blog

Rozwiązanie wielu problemów naukowych i inżynierskich można znaleźć uważnie obserwując naturę. Świat roślin i zwierząt daje odpowiedź na wiele pytań, jakie stawiają sobie współcześni projektanci i konstruktorzy innowacyjnych urządzeń czy technologii.

Opowiadaliśmy już na naszym blogu o tym, jakie pożytki może przynieść podglądanie kalmarów https://tmblr.co/ZbfwraX-zWp38u00. Grupa młodych wynalazców z Krakowa opracowała koncepcje napędu falowego NOA, wykorzystywanego w konstrukcji podwodnych pojazdów bezzałogowych a bazującego na sposobie poruszania się tych głowonogów. Młodzi naukowcy z  Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering oraz John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) w USA sprawdzają, jak inspirowana biologią architektura może utorować drogę dla mocniejszych, solidniejszych i bezpieczniejszych konstrukcji mostów czy drapaczy chmur albo lżejszych statków kosmicznych.

Koncentrują się na badaniu struktury szkieletowej Euplectella aspergillum – gąbki szklistej, żyjącej pod powierzchnią oceanów, wytwarzającej  charakterystyczny, porowaty szkielet z podłużnymi litewkami. Szkielet ma kształt walca, pustego w środku. Gąbka, nazywana w Polsce Koszyczkiem Wenery, występuje w morzach i oceanie od Filipin po wybrzeża Afryki na głębokości około 200 m. Jest niewielka – jej ciało ma długość 30-40 cm, grubość 3-4 cm. Żywi się materią organiczną odfiltrowywaną z wody.

W nowym artykule opublikowanym w „Nature Materials” naukowcy wykazali, że wzmocniona ukośnie kwadratowa struktura szkieletowa Euplectella aspergillum przypominająca kratkę, ma wyższy stosunek wytrzymałości do masy, niż tradycyjne konstrukcje kratowe budynków i mostów.

– Odkryliśmy, że strategia wzmocnienia ukośnego gąbki zapewnia najwyższą odporność na wyboczenie dla danej ilości materiału, co oznacza, że ​​możemy budować silniejsze i bardziej sprężyste struktury – powiedział dr Matheus Fernandes, absolwent Wyss Institute i SEAS, który jest głównym autorem artykułu.

Korzystając z narzędzi matematycznych i informatycznych dr Fernandes zaprojektował i wydrukował w 3D  prototypy, opracował algorytmy optymalizacji i przeprowadził symulacje komputerowe badając, jak struktura gąbki wypada w porównaniu z innymi podobnymi architektonicznymi strukturami sieciowymi. Prototypy testowane były w warunkach laboratoryjnych pod kątem wytrzymałości mechanicznej.

– W wielu dziedzinach, takich jak inżynieria lotnicza, stosunek wytrzymałości do masy konstrukcji jest niezwykle ważny – mówi dr James Weaver, naukowiec który wcześniej pracował w Instytucie Wyss, a obecnie pracuje w SEAS. współautor artykułu – Ta inspirowana biologicznie geometria może stanowić mapę drogową dla projektowania lżejszych, mocniejszych konstrukcji do szerokiego zakresu zastosowań.

Jak wyjaśnia dr Fernandes kwadratowe struktury kratowe, wykorzystywane obecnie w konstrukcjach mostów, dobrze sprawdzają się w praktyce, ale nie są optymalne – są zbyt materiałochłonne i ograniczają wysokość budowanych mostów. Jednym z celów realizowanych w Harvardzie badań było ustalenie, czy możliwe jest uzyskanie tej samej wytrzymałości konstrukcji przy zużyciu
mniejszej ilości materiałów. W symulacjach i eksperymentach naukowcy odtworzyli ten projekt i porównali szkieletową architekturę gąbki z istniejącymi geometriami kratownic. Konstrukcja gąbki przewyższała je wszystkie, wytrzymując większe obciążenia bez wyboczenia. Naukowcy wykazali, że sparowana równoległa, skrzyżowana struktura diagonalna poprawiła ogólną wytrzymałość
strukturalną o ponad 20 procent, bez konieczności dodawania dodatkowego materiału.

– Nasze badania pokazują, że wnioski wyciągnięte z badania układów szkieletowych z gąbki można wykorzystać do budowy struktur zoptymalizowanych geometrycznie w celu opóźnienia wyboczenia, co ma ogromne znaczenie dla lepszego wykorzystania materiałów w nowoczesnych zastosowaniach infrastrukturalnych – powiedziała dr Katia Bertoldi, były członek nadzwyczajny Instytutu Wyss, który jest również profesorem mechaniki stosowanej Williama i Ami Kuan Danoff na SEAS i autorem korespondencyjnym badania.

Matheus Fernandes żartuje, że Euplectella aspergillum ma nad grupą naukowców przewagę prawie pół miliarda lat.

– Badamy relacje struktura-funkcja w układach szkieletowych gąbki od ponad 20 lat i te gatunki nadal nas zaskakują – powiedział Weaver.

– Te badania są pełne nieoczekiwanych wyników. Znaleźliśmy inspirowane naturalnym zjawiskiem rozwiązanie problemu, o którym nawet nie wiedzieliśmy. Czy możemy szukać gdzie indziej, niż w naturze inspiracji do rozwiązania niektórych z najtrudniejszych problemów świata? – zastanawia się Matheus Fernandes, cytowany w komunikacie prasowym  Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS)

————————–

Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering – interdyscyplinarny instytut badawczy na Uniwersytecie Harvarda, który koncentruje się na opracowywaniu nowych materiałów i urządzeń inspirowanych biologią do zastosowań w służbie zdrowia, produkcji, robotyce, energetyce i zrównoważonej architekturze. Wyss Institute tworzy przełomowe przełomy technologiczne, angażując się w badania wysokiego ryzyka i przekraczając bariery dyscyplinarne i instytucjonalne, działając jako sojusz obejmujący Harvard Schools of Medicine, Engineering, Arts & Sciences,
Design i Education oraz we współpracy z Beth Israel Deaconess Centrum medyczne, Brigham and Women’s Hospital, Boston Children’s Hospital ( http://wyss.harvard.edu)

Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences  ( http://seas.harvard.edu ) służy jako koordynator i integrator działań dydaktycznych i badawczych Harvardu w dziedzinie inżynierii, nauk stosowanych i technologii. „Dzięki współpracy z naukowcami ze wszystkich jednostkami Harvardu, innymi uniwersytetami oraz partnerami korporacyjnymi i założycielskimi, wnosimy odkrycia i innowacje bezpośrednio do poprawy życia ludzkiego i społeczeństwa”. ( http://seas.harvard.edu )

Źródło:
Harvard’s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering,
John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS)
Fot: Wyss Instytute, SEAS

(raj)