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受海綿骨頭的啟發,科學家開發出了更堅固,更輕的承重結構



根據國外媒體《新地圖集》的報導,海綿為科學界提供了很多東西,從下一代的防彈衣到治療結核病的新方法。 現在,我們看到它們如何激發更堅固,更輕便的摩天大樓和橋樑。哈佛大學的工程師已經展示了一種新型的基於這些海洋生物的玻璃狀骨骼的承重結構,他們說,這種結構比目前的解決方案強20%以上。

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對角晶格結構是典型廊橋的骨幹。 它由輕便且便宜的材料製成,並使用間隔很近的對角梁來均勻分佈負載。 自19世紀初期以來,工程師就一直在使用這種方法,並且這種技術還用於支撐高層建築,甚至可以在當地的家居裝飾商店中找到金屬儲物架。 但是哈佛團隊認為仍有改進的空間。

該研究的第一作者馬修斯·費爾南德斯(Matheus Fernandes)表示:“它可以完成工作,但不是最優的,這會導致材料浪費或冗餘,以及我們可以建造多高的上限。 “從材料分佈的角度來看,推動這項研究的主要問題之一是,我們能否使這些結構更有效,並最終使用更少的材料來獲得相同的強度?”

哈佛大學工程與應用科學學院(SEAS)的費爾南德斯(Fernandes)及其合作者研究海洋海綿的骨骼系統已有二十多年了,並發現了一種叫做Euplectella aspergillum的物種的新潛力。

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這種玻璃海綿的骨架依靠複雜的棋盤圖案,通過對角支柱連接到底部的方形網格,形成支撐生物管狀體的堅固結構。 研究作者詹姆斯·韋弗(James Weaver)說:“我們研究海綿骨骼系統的結構-功能關係已有20多年了,這些物種繼續使我們感到驚訝。”

科學家創建了這種骨骼結構的人工版本,並將其作為承重結構的性能與當今通過仿真和實驗常用的網格幾何形狀進行了比較。 這種受海綿啟發的建築超越了所有建築,並且結構強度提高了20%以上,而無需其他材料。

研究作者Katia Bertoldi說:“我們的研究表明,從海綿骨骼系統的研究中獲得的經驗教訓可用於構建幾何優化結構以延遲彎曲,這對於改善現代基礎設施應用中的材料使用具有重要意義。”

該團隊表示,這種架構提供“對於給定數量的材料具有最高的抗彎曲性”,從而開闢了一些令人興奮的可能性。 這可能包括新的橋樑,建築物,甚至飛機和航天器,它們可以更有效地利用材料。

韋弗說:“在許多領域,例如航空航天工程,結構的強度重量比至關重要。” “這種受生物啟發的幾何形狀可以為設計更輕,更堅固的結構提供滿足各種應用需求的路線圖。”

該研究發表在《自然材料》雜誌上,下面的視頻提供了該研究的概述。