科研丨受深海海綿生物啟發的格狀骨架

2021-02-15 愛實驗商城

每當談及海綿,我們的腦海中往往會浮現出一團柔軟、黏糊糊的物質。《自然·材料學》雜誌於9月21日報導,美國哈佛大學工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員Katia Bertoldi和James C. Weaver受深海海綿(Euplectella aspergillum)的骨骼結構啟發,正致力於將它的「對角增強」格狀骨架運用於新一代高樓、橋梁及輕型太空飛行器的建設中。

阿氏偕老同穴是生活在大西洋數千米以下深海中的生物,全身骨骼由矽質骨針組成。在深海中會受到非常強的水壓,卻依然保持完美的形狀。阿氏偕老同穴也被稱為"Venus' flower basket",是六放海綿綱偕老同穴屬的海綿。這種美麗的生物有著許多驚人的特性,比如它極其長壽——有的已經存活了數千年,是世界上最長壽的動物之一。有趣的是,在這種海綿的內部還經常包含著一對長期寄居的蝦,一旦這些蝦成長得足夠大,就再也不會離開海綿了。在日本,這種海綿被視為永恆的愛,還常常被用作結婚禮物。

哈佛大學的一群醉心於這種玻璃海綿的複雜骨架的研究人員通過一系列實驗和計算機模擬,發現這個海綿實際上相當堅固,而且富有彈性。它的每條圓柱形的纖維都是層層包疊著的。如果將這個層狀包裹結構與中空、實心的柱體材料進行對比,我們會發現這個層層相裹的結構最為結實,因此這種海綿比常用於建築和橋梁建設的傳統格構式設計具有更高的強度-重量比,幾乎是相似類型的結構中最強、最不易碎的一種。工程師在了解它的科學原理後,將這個海綿的結構作為建築與材料的靈感來源。

在建築中,橫梁一直被用來穩定橋梁和摩天大樓等的結構。自19世紀以來,工程師對橫梁的首選設計一直是一種特定的網格結構,這種結構由正方形的網格組成,格子中間附加有雙向的對角線以加強支撐力度。這種設計已經被使用了很長的一段時間,它能出色的完成工作,但存在一定程度的材料浪費現象,並限制了建築物的高度,因為並非最佳設計。

阿氏偕老同穴的骨架也有著正方形的網格結構,只不過相比於在建築中常採用的單根雙向對角線相比,這種海綿中呈現的是成對的雙向平行對角線,且每對對角線中間都相隔一定距離。

在去年9月發表的這項研究中,研究人員基於這種海綿的骨架製造了一個網格結構,並模擬了它的牢固性。他們將其與另外三種標準的橫梁網格結構在重量相同的情況下進行了比較。通過在模擬和實驗中對這些網格結構施與壓力,他們最終發現,根據玻璃海綿製造的成對出現的平行交叉對角線結構,能在不添加額外的材料的情況下,將整體結構的強度提高20%以上。

與傳統的橫梁設計相比,增加了對角線的網格結構具有更多的節點,且節點之間的距離更小,這種特點或許能使它承受更大的壓力。在進一步的模擬中,研究人員調試了對角線的數量、厚度,以及對角線之間的間距,他們試圖找到能夠承受最大應變的網格,而最終的模擬結果正是這種玻璃海綿。

在未來,仿生學依然為下一代建築、航天、設計等領域提供靈感來源,幫助人們設計出更輕、更廉價、更堅固、更有效率的結構材料。在錯綜複雜的自然法則下,不少生物早已因無法適應自然而被淘汰。如果人類也無法因勢而變,也將同樣被淘汰。因此,我們需要更了解自然,了解它們的為什麼要這樣生長和構建。通過我們的學習和模仿,自然將指導我們如何去建造與自然和諧共處的生存環境。

文章連結:https://www.nature.com/articles/s41563-020-0798-1

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