Eläin- ja kasvien maailmat ovat inspiroineet tutkijoita jo kauan sitten, ja tutkijat ovat pitkään olleet kiinnostuneita siitä, miksi tietyt organismit ovat kestäviä vaikutuksille. Ajattele tikan kallo ja nokka, suojakalo, jolla kalojen vaa'at menevät päällekkäin, tai paksua kuorta, joka pitää hedelmää putoamasta auki.
Asiaan liittyvä sisältö
- Nämä tyylikkäät, seksikkäitä autoja olivat kaikki kalojen inspiroimia
- Kuinka biomimicry inspiroi ihmisen innovaatioita
Yksi supertähti tällä alalla on kuningatar kotilo, sellainen, jonka olet pitänyt korvassasi kuullaksesi valtameren. Kuningatar kotilo menee aaltojen ja saalistajien kimppuun, mutta sen kuoren muodostavan materiaalin rakenne on erittäin vahva. Tämä johtuu kuoren rakenteesta, jossa on ristikkäiset kalsiumkarbonaattikerrokset, jotka on asetettu eri suuntiin ja erotettu pehmeämmillä proteiineilla, selittää MIT-tekniikan professori Markus Buehler, jonka laboratorio suunnitteli tämän rakenteen ihmisen tekemän kopion, joka voisi olla käytettiin kypärissä ja muissa suojapanssaroissa ja julkaisi tulokset Advanced Materials -lehdessä. Sekä kotiloissa että ihmisen tekemässä versiossa materiaalin ”jyvä” vuorottelee 90 astetta, joten tietystä suunnasta kohdistuva isku tuskin kulkee läpi.
"Voimme paitsi analysoida näitä järjestelmiä ja mallintaa niitä ja yrittää optimoida niitä, mutta voimme todella luoda todellisia uusia materiaaleja näiden geometrioiden kanssa", Buehler sanoo.
Tutkijat ovat mallinnelleet kuoren rakenteen aiemmin, mutta 3D-tulostuksen edistyminen johti siihen, että Buehlerin tiimi pystyi toistamaan sen. Tärkeä innovaatio oli suulakepuristin (suutin, jonka läpi materiaali virtaa), joka kykenee emittoimaan useita, mutta sukulaisia polymeerejä, joista yksi on erittäin jäykkä ja joustavampi, replikoimaan vaipan kalsiumkarbonaatti- ja proteiinikerroksia. Koska polymeerit ovat samankaltaisia, ne voidaan kiinnittää toisiinsa ilman liimaa, jolloin niiden hajoaminen on vähemmän todennäköistä. Kokeissa - jotka suoritettiin pudottamalla 5, 6 kilogramman teräspainoja eri nopeuksilla materiaalilevyille - ristikkäinen rakenne osoitti 85 prosentin lisäyksen energiassa, jonka se voisi absorboida, verrattuna samaan materiaaliin ilman sitä.
Luonnollisten asioiden suunnittelu voi tuntua yksinkertaiselta, mutta on paljon muutakin harkittavaa kuin pelkästään kohteen kopioiminen suoraan, Indiana University-Purdue University Indianapolis -yrityksen koneprofessori Andreas Tovar huomauttaa. Tovar, joka ei ollut sidoksissa MIT-tutkimukseen, työskentelee myös bio-inspiroiduissa suojarakenteissa, kuten autosuunnittelussa, joka perustuu vesipisaroihin ja suojataan kylkiluun kaltaisella rakenteella.
Simpukankuoren molekyylirakennetta voidaan joskus käyttää vahvempien kypärien tai vartalopanssaroiden valmistukseen. (Wikimedia Commons) "Bio-inspiroidussa suunnittelussa on kaksi tapaa", hän sanoo. ”Yksi on tarkkailemalla rakennetta luonnossa ja yrittämässä sitten jäljitellä sitä. Toinen lähestymistapa on jäljittelemällä prosessia, jonka luonto tekee rakenteen luomiseksi. ”Esimerkiksi Tovar kehitti algoritmin matkimaan ihmisen luita rakentavia soluprosesseja, esimerkki toisesta lähestymistavasta. Buehler sitä vastoin aloitti kuningatar kotilojen suuremmalla materiaalilla tai urutason rakenteella ja kysyi, miten luodaan tämä rakenne ihmisen tuottamilla materiaaleilla.
Sekä Tovarin että Buehlerin työssä on selvitettävä, mitkä rakenteen osat ovat sen toiminnan kannalta tärkeitä ja mitkä ovat erilaisten evoluutiopaineiden jäämiä. Toisin kuin elävä organismi, esimerkiksi bio-inspiroidun kypärän ei tarvitse sisällyttää biologisia toimintoja, kuten hengitystä ja kasvua.
"Yksi avainteko on, että [Buehlerin laboratorio] toistaa luonnossa esiintyvän hierarkkisen monimutkaisuuden, Tovar sanoo. ”He osaavat valmistaa lisäaineiden valmistusmenetelmin. He kokeilevat ja näkevät tämän vaikuttavan mekaanisen suorituskyvyn lisääntymisen. "
Vaikka Buehler sai rahoitusta puolustusministeriöltä, joka on kiinnostunut sotilaiden kypäristä ja vartalohaaroista, hän sanoo, että se on yhtä soveltuvaa ja mahdollisesti hyödyllisempää urheilussa, kuten polkupyörällä tai jalkapallokypärillä. "Ne voitaisiin optimoida, ne voisivat ylittää nykyiset suunnitteluvaatimukset, jotka ovat melko yksinkertaistettuja - sinulla vaahtoa, kova kuori ja siinä on melko paljon", hän sanoo.
Kypärää ei vielä ole, Buehler sanoo - he ovat rakentaneet materiaalin ja suunnittelevat käyttävänsä sitä seuraavaksi kypärään. Ja muotoilu on tärkeä, jopa materiaalin ulkopuolella. ”Vaikka emme käytä täällä käyttämiämme jäykkiä ja pehmeitä materiaaleja, 3D-tulostetut materiaalit, jos teet saman asian muiden materiaalien kanssa - voit käyttää terästä ja betonia tai muun tyyppisiä polymeerejä, ehkä keramiikkaa - tekemällä samaa asiaa, tarkoittaen samoja rakenteita, voit tosiasiallisesti parantaa jopa niiden ominaisuuksia, yli sen, mitä he voivat tehdä yksinään ”, hän sanoo.
