Dyre- og planteverdener har inspireret forskere i aldre, og forskere har længe været interesseret i, hvorfor visse organismer er modstandsdygtige over for påvirkning. Tænk på en hakkespids kranium og næb, den beskyttende måde, hvorpå en fiskes skala overlapper hinanden, eller den tykke skorpe, der holder en faldende frugt i at bryde op.
Relateret indhold
- Disse slanke, sexede biler blev alle inspireret af fisk
- Hvordan Biomimicry er inspirerende til menneskelig innovation
En superstjerne på dette felt er dronningens kegleskal, den slags, du måske har holdt dit øre for at høre havet. Dronningens konkylie bliver slået af bølger og rovdyr, men strukturen i materialet, der udgør dets skal, er bemærkelsesværdigt stærk. Dette skyldes strukturen af skallen, der indeholder krydskorsede calciumcarbonatlag lagt i forskellige orienteringer og adskilt af blødere proteiner, forklarer MIT ingeniørprofessor Markus Buehler, hvis laboratorium designet en menneskeskabt kopi af denne struktur, der kunne være brugt i hjelme og anden beskyttelsesrustning og offentliggjort resultaterne i tidsskriftet Advanced Materials . I både konkylen og den menneskeskabte version skifter materialets "korn" 90 grader, så det er usandsynligt, at påvirkning fra en bestemt retning slipper vej gennem.
"Ikke kun kan vi analysere disse systemer og modellere dem og forsøge at optimere dem, men vi kan faktisk skabe reelle nye materialer med disse geometrier, " siger Buehler.
Forskere har modelleret skallets struktur tidligere, men fremskridt inden for 3D-udskrivning førte til, at Buehlers team var i stand til at gengive det. Den afgørende nyskabelse var en ekstruder (dysen, som materialet strømmer igennem), der er i stand til at udsende flere, men beslægtede polymerer, en, der er meget stiv og en, der er mere bøjelig, til at replikere calciumcarbonat- og proteinlagene af skallen. Fordi polymererne er ens, kan de bindes sammen uden lim, hvilket gør dem mindre tilbøjelige til at gå i stykker. I tests - der udføres ved at tabe 5, 6 kilogram stålvægte med forskellige hastigheder på pladerne af materialet - viste den krydsede struktur en 85 procents stigning i den energi, den kunne absorbere, sammenlignet med det samme materiale uden det.
Det kan virke simpelt at designe ting baseret på naturen, men der er meget mere at overveje end bare at kopiere et objekt direkte, påpeger Indiana University-Purdue University Indianapolis maskiningeniør professor Andreas Tovar. Tovar, der ikke var tilknyttet MIT-undersøgelsen, arbejder også på bioinspirerede beskyttelsesstrukturer, såsom et bilsignal baseret på en vanddråbe og beskyttet af en struktur, der ligner et ribbenbur.
Konkylskallens molekylstruktur kan en dag anvendes til at fremstille stærkere hjelme eller kropsrustning. (Wikimedia Commons) ”Der er to måder at gøre bioinspireret design på, ” siger han. ”Den ene er gennem observationen af strukturen i naturen og derefter forsøge at efterligne den strukturen. Den anden tilgang er ved at efterligne den proces, som naturen gør for at skabe en struktur. ”For eksempel udviklede Tovar en algoritme til at efterligne de cellulære processer, der bygger menneskelige knogler, et eksempel på den anden tilgang. I modsætning hertil startede Buehler med det større materiale eller strukturen på orgelniveauet i dronningens kegleskal og spurgte, hvordan man skulle genskabe den struktur med menneskeskabte materialer.
Både Tovars og Buehlers arbejde involverer skelnen for, hvilke dele af strukturen, der er instrumentel til dens funktion, og hvad er rester af forskellige evolutionære pres. I modsætning til en levende organisme, behøver en bio-inspireret hjelm for eksempel ikke at inkludere biologiske funktioner som åndedræt og vækst.
”Et vigtigt stykke er, at [Buehlers laboratorium] gentager den hierarkiske kompleksitet, der findes i naturen, siger Tovar. ”De er i stand til at fremstille ved hjælp af additive fremstillingsmetoder. De tester, og de ser denne imponerende stigning i mekanisk ydeevne. "
Selvom Buehler modtog finansiering fra forsvarsdepartementet, der er interesseret i hjelme og kropsrustning for soldater, siger han, at det er lige så relevant og muligvis mere nyttigt i sport, som cykel- eller fodboldhjelme. ”De kunne optimeres, de kunne gå ud over de nuværende designkrav, som er ret forenklede - du har noget skum, du har en hård skal, og det er stort set det, ” siger han.
Der er endnu ingen hjelm, siger Buehler - de har bygget materialet og planlægger at anvende det på hjelme næste. Og designen er vigtig, også ud over materialet. ”Selv hvis vi ikke bruger de stive og bløde materialer, vi brugte her, dem, vi har 3D-trykt, hvis du gør det samme med andre materialer - kan du bruge stål og beton eller andre typer polymerer, måske keramik - ved at gøre den samme ting, hvilket betyder de samme strukturer, kan du faktisk forbedre selv deres egenskaber, ud over hvad de kan gøre på egen hånd, ”siger han.
