Морские губки могут многое предложить миру науки, от бронежилетов следующего поколения до новых средств лечения туберкулеза, и теперь мы видим, как они могут вдохновить на создание более прочных и легких небоскребов и мостов. Инженеры из Гарвардского университета продемонстрировали новый тип несущей конструкции на основе стекловидных скелетов этих морских существ, которые, по их словам, более чем на 20 процентов прочнее существующих решений.

Архитектура с диагональной решеткой является основой типичных крытых мостов, построенных из легких и более дешевых материалов с использованием плотно расположенных диагональных балок для равномерного распределения нагрузки. Инженеры использовали этот подход с начала 1800-х годов, при этом такая же техника также использовалась для поддержки высоких зданий и даже металлических полок для хранения вещей, которые вы можете найти в своем местном магазине товаров для дома. Но команда Гарварда считает, что есть возможности для улучшения.

«Она выполняет свою работу, но это не оптимально, что приводит к потере или избыточности материала и ограничению того, какую высоту мы можем построить», - говорит первый автор исследования Матеус Фернандес (Matheus Fernandes). «Один из основных вопросов, лежащих в основе этого исследования, заключался в том, можем ли мы сделать эти структуры более эффективными с точки зрения распределения материалов, в конечном итоге используя меньше материала для достижения той же прочности?».

Фернандес и его соавторы из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук изучали скелетные системы морских губок более двух десятилетий и обнаружили новый потенциал у видов, известных как Euplectella aspergillum класса стеклянных губок.

Скелет этой стеклянной губки основан на сложном шахматном узоре диагональных стоек, соединенных с лежащей под ними квадратной сеткой, образуя прочную структуру, поддерживающую трубчатое тело существа.

«Мы изучаем структурно-функциональные взаимосвязи в скелетных системах губок более 20 лет, и эти виды продолжают нас удивлять», - говорит автор исследования Джеймс Уивер (James Weaver).

Взгляните на скелетную структуру морской губки. Фото: Harvard University

Ученые создали искусственную версию этой скелетной архитектуры и с помощью моделирования и экспериментов сравнили ее характеристики как несущей конструкции с геометрией решетки, обычно используемой сегодня. Архитектура, вдохновленная губкой, затмевает их всех, повышая прочность конструкции более чем на 20 процентов без необходимости использования дополнительных материалов.

«Наше исследование демонстрирует, что уроки, извлеченные из изучения скелетных систем губки, могут быть использованы для создания структур, геометрически оптимизированных для задержки коробления, перекашивания, изгибов и предотвращения потери устойчивости, что имеет огромное значение для улучшения использования материалов в современных инфраструктурных приложениях», - говорит автор исследования Катя Бертольди (Katia Bertoldi).

Команда заявляет, что эта архитектура обеспечивает «наивысшее сопротивление продольному изгибу для данного количества материала», открывая некоторые захватывающие возможности. Это может включать новые мосты, здания или даже самолеты и космические корабли, которые более эффективно используют свои материалы.

Рендер, изображающий естественную скелетную архитектуру морской губки Venus 'Flower Basket слева и искусственную версию справа. Фото: Peter Allen, Ryan Allen, and James C. Weaver/Harvard SEAS

«Во многих областях, таких как аэрокосмическая техника, соотношение прочности и веса конструкции имеет решающее значение», - говорит Уивер. «Эта биологически вдохновленная геометрия может обеспечить дорожную карту для разработки более легких и прочных структур для широкого спектра применений».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Materials, а на видео представлен обзор исследования.

Источник: Harvard University