Svět zvířat a rostlin inspiroval vědce po věky a vědci se dlouho zajímali o to, proč jsou některé organismy odolné vůči dopadu. Pomyslete na lebku a zobák ďatla, na ochranný způsob, jak se překrývají šupiny ryb, nebo na hustou kůru, která zabraňuje rozevření padajícího ovoce.
Související obsah
- Tato elegantní, sexy auta byla inspirována rybami
- Jak biomimikry inspiruje lidské inovace
Jednou superstar v tomto poli je lastura královny, druh, který jste mohli držet u ucha, abyste slyšeli oceán. Králičí ulita se rozbije vlnami a predátory, ale struktura materiálu, který tvoří její skořápku, je pozoruhodně silná. To je způsobeno strukturou skořápky, která obsahuje křupavě překřížené vrstvy uhličitanu vápenatého rozložené v různých směrech a oddělené měkčími proteiny, vysvětluje inženýrský profesor MIT Markus Buehler, jehož laboratoř navrhla umělou repliku této struktury, která by mohla být používal v přilbách a jiných ochranných brnění a výsledky publikoval v časopise Advanced Materials . V lastuře i v umělé verzi se „zrno“ materiálu střídá o 90 stupňů, takže je nepravděpodobné, že by dopad z jakéhokoli směru prošel.
"Nejenže můžeme tyto systémy analyzovat a modelovat je a pokusit se je optimalizovat, ale můžeme skutečně vytvořit skutečné nové materiály s těmito geometriemi, " říká Buehler.
Vědci již dříve modelovali strukturu skořápky, ale pokroky ve 3D tisku vedly k tomu, že Buehlerův tým byl schopen ji reprodukovat. Zásadní inovací byl extruder (tryska, kterou materiál protéká) schopný emitovat více, ale příbuzné polymery, jeden, který je velmi tuhý a druhý, který je pružnější, replikovat vrstvy uhličitanu vápenatého a proteinové vrstvy skořepiny. Protože jsou polymery podobné, mohou být spojeny dohromady bez lepidla, takže je méně pravděpodobné, že se rozpadnou. Při zkouškách - které se provádějí tak, že se na plechy umístí 5, 6 kilogramové hmotnosti oceli při různých rychlostech - ukázala křižovaná struktura 85% zvýšení energie, kterou mohla absorbovat, ve srovnání se stejným materiálem bez ní.
Může se zdát jednoduché navrhnout věci založené na přírodě, ale je třeba zvážit mnohem víc, než jen zkopírovat objekt přímo, poukazuje na profesor strojního inženýrství Indiana University - Purdue University Indianapolis Andreas Tovar. Tovar, který nebyl přidružen ke studii MIT, pracuje také na biologicky inspirovaných ochranných strukturách, jako je konstrukce automobilu založená na kapičce vody a chráněná strukturou podobnou žebrové kleci.
Molekulární struktura lastury ulity by mohla být někdy použita k vytvoření silnějších přileb nebo brnění těla. (Wikimedia Commons) "Existují dva způsoby, jak udělat biologicky inspirovaný design, " říká. "Jedním je pozorování struktury v přírodě a pak se pokouší napodobit tuto strukturu." Druhý přístup spočívá v napodobování procesu, který příroda vytváří, aby vytvořil strukturu. “Například Tovar vyvinul algoritmus napodobující buněčné procesy, které vytvářejí lidské kosti, příklad druhého přístupu. Buehler, na rozdíl od toho, začal s větším materiálem nebo strukturou na úrovni orgánu, lastury královny a zeptal se, jak tuto strukturu znovu vytvořit pomocí umělých materiálů.
Jak Tovarova, tak Buehlerova práce zahrnují rozeznání, které části struktury jsou pro její funkci nápomocné a jaké jsou zbytky různých evolučních tlaků. Na rozdíl od živého organismu nemusí například helma s biologickým inspirací zahrnovat biologické funkce, jako je dýchání a růst.
„Jednou z klíčových věcí je, že [Buehlerova laboratoř] replikuje hierarchickou složitost, která se vyskytuje v přírodě, říká Tovar. „Jsou schopni vyrábět pomocí aditivních výrobních metod. Testují a vidí toto působivé zvýšení mechanické výkonnosti. “
Přestože Buehler získal finanční prostředky od ministerstva obrany, které se zajímá o přilby a neprůstřelné vesty pro vojáky, říká, že je stejně použitelný a možná užitečnější ve sportu, jako jsou cyklistické nebo fotbalové helmy. "Mohli by být optimalizováni, mohli by jít nad rámec současných návrhových požadavků, které jsou docela zjednodušující - máte nějakou pěnu, máte tvrdou skořápku a to je do značné míry, " říká.
Zatím neexistuje žádná helma, říká Buehler - materiál postavili a plánují použít na další helmy. A design je důležitý, dokonce i za materiálem. „I když nepoužíváme tuhé a měkké materiály, které jsme zde použili, ty, které jsme vytiskli ve 3D, pokud uděláte to samé s jinými materiály - můžete použít ocel a beton nebo jiné typy polymerů, možná keramiku - tím, že děláte totéž, což znamená stejné struktury, můžete ve skutečnosti vylepšit i jejich vlastnosti, nad rámec toho, co mohou udělat sami, “říká.
