Gąbki kojarzą się nam raczej z czymś miękkim. Jednak to właśnie ze szkieletów gąbek zamieszkujących morskie głębiny naukowcy czerpią inspirację dla kolejnej generacji mocniejszych budynków, wytrzymalszych mostów i lżejszych statków kosmicznych.

W nowej pracy opublikowanej w „Nature Materials” naukowcy z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) wykazali, że struktura szkieletowa głębokowodnej gąbki Euplectella aspergillum (w Polsce znanej jako Koszyczek Wenery), ma wyższy stosunek wytrzymałości do masy, niż tradycyjne konstrukcje, które od lat są wykorzystywane w budowie budynków i mostów.

Inspiracja czerpana z natury

Architektura inspirowana biologią może utorować drogę dla mocniejszych i lżejszych konstrukcji, a wytwarzana przez gąbkę struktura jest bardzo wytrzymała. – Oznacza to, że możemy budować mocniejsze konstrukcje – przekonuje Matheus Fernandes z SEAS i główny autor pracy.

– W wielu dziedzinach, takich jak inżynieria lotnicza i kosmonautyka, stosunek wytrzymałości do masy struktury jest niezwykle ważny – mówi z kolei James Weaver, naukowiec z SEAS i współautor badań. – Zainspirowana biologią geometria, może dać podstawę do projektowania lżejszych i mocniejszych konstrukcji w wielu dziedzinach – twierdzi.

W naszym życiu wciąż napotykamy różne konstrukcje składające się z kratownic. Są nimi mosty, czy metalowe półki w naszych domach. Taki rodzaj konstrukcji wykorzystuje wiele małych, ściśle rozmieszczonych belek poprzecznych do równomiernego rozłożenia przyłożonych do nich obciążeń. Geometria ta została opatentowana na początku XIX wieku przez architekta i inżyniera budowlanego Ithiela Towna, który pragnął tworzyć solidne mosty z lekkich i tanich materiałów.

– Town opracował prosty, ekonomiczny sposób stabilizacji konstrukcji kratowych, który jest stosowany do dziś – mówi Fernandes. – Metoda ta nie jest optymalna, co prowadzi do wykorzystywania przy budowach zbędnego materiału. Podczas badań chcieliśmy się dowiedzieć, czy możemy uczynić te struktury bardziej efektywnymi, aby zużywając mniej materiału osiągnąć tę samą wytrzymałość – tłumaczy.

Koszyczek Wenery

I tu z pomocą przyszły gąbki, zwłaszcza Koszyczek Wenery, które ewoluują już od co najmniej pół miliarda lat. W ich szkieletach odkryto zupełnie nowy schemat, który można wykorzystać do łączenia ze sobą kratownic. – Od ponad 20 lat badamy zależności w układach szkieletowych gąbek i te gatunki nadal nas zaskakują – mówi Weaver.

W symulacjach i eksperymentach naukowcy odtworzyli wzór szkieletu gąbki i porównali jego architekturę z istniejącymi geometriami wykorzystywanymi w budownictwie. Okazało się, że konstrukcja wytwarzana przez gąbki przewyższała wytrzymałością wszystkie inne o ponad 20 procent, bez potrzeby dodawania zwiększonej ilości materiałów. Oznacza to na przykład, że konstruując most możemy zużyć nawet jedną piątą materiału mniej, a w efekcie uzyskamy taką samą wytrzymałość przeprawy.

– Badania nad systemem szkieletowym gąbek mogą być wykorzystane do tworzenia konstrukcji, które są zoptymalizowane pod względem geometrycznym. Może to mieć ogromny wpływ na współczesne rozwiązania infrastrukturalne – mówi profesor mechaniki stosowanej w SEAS Katia Bertoldi.

 

ŹródłoHarvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

 

 

0 0 vote
Article Rating