Životinjski i biljni svijet nadahnjuju znanstvenike stoljećima, a znanstvenike je dugo zanimalo zašto su određeni organizmi otporni na utjecaj. Pomislite na lubanju i kljun djetlića, na zaštitni način na koji se riblje ljuske preklapaju ili na debelu koru koja sprečava padanje ploda.
Povezani sadržaj
- Ovi elegantni, seksi automobili bili su nadahnuti ribom
- Kako biomimikrija nadahnjuje ljudske inovacije
Jedna superzvijezda na ovom polju je školjka kraljice školjke, onakva kakvu ste možda držali za uho da čujete ocean. Kraljicu su preboljeli valovi i grabežljivci, ali struktura materijala koji čini školjku je izuzetno snažna. To je zbog strukture ljuske koja ima križano prekrižene slojeve kalcijevog karbonata raspoređene u različitim orijentacijama i razdvojene mekšim proteinima, objašnjava profesor inženjera MIT-a Markus Buehler, čiji je laboratorij dizajnirao umjetnu kopiju ove strukture koja bi mogla biti koristili u kacigama i drugim zaštitnim oklopu, a rezultate objavili u časopisu Advanced Materials . U ovoj izvedbi i u umjetnoj izvedbi "zrno" materijala izmjenjuje se za 90 stupnjeva, tako da taj utjecaj iz bilo kojeg određenog smjera vjerojatno neće probiti svoj put.
"Ne samo da možemo analizirati te sustave i modelirati ih i pokušati ih optimizirati, već zapravo možemo stvoriti nove nove materijale s tim geometrijama", kaže Buehler.
Znanstvenici su već modelirali strukturu školjke, ali napredak 3D ispisa doveo je do toga da je Buehlerov tim mogao reproducirati. Ključna inovacija bio je ekstruder (mlaznica kroz koji materijal prolazi) sposoban da emitira više, ali srodnih polimera, jedan koji je vrlo tvrd i onaj koji je gipkiji, da replicira kalcijev karbonat i proteinske slojeve ljuske. Budući da su polimeri slični, oni se mogu povezati bez ljepila, što čini manje vjerojatnim da će se raspasti. U testovima - koji se provode tako što se čelični utezi 5, 6 kilograma različitim brzinama bacaju na listove materijala - križana struktura pokazala je povećanje energije koju je mogao apsorbirati za 85 posto u usporedbi s istim materijalom bez nje.
Može se činiti jednostavnim oblikovati stvari na temelju prirode, ali ima mnogo više za razmatrati, nego samo kopirati objekt izravno, ističe profesor strojarstva Andreas Tovar sa sveučilišta Indiana University of Purdue sa sveučilišta Indianapolis. Tovar, koji nije bio povezan sa studijom MIT, također radi na bio-nadahnutim zaštitnim građevinama, poput automobila koji se temelji na vodenoj kapljici i zaštićen je konstrukcijom sličnom rebrastom kavezu.
Molekularna struktura školjke može se jednog dana koristiti za izradu kaciga ili oklopa. (Wikimedia Commons) "Postoje dva načina za stvaranje bio-nadahnutog dizajna", kaže on. „Jedno je promatranje strukture u prirodi, a zatim pokušavanje oponašanja te strukture. Drugi je pristup oponašanjem procesa koji priroda čini kako bi stvorio strukturu. "Tovar je, na primjer, razvio algoritam za oponašanje staničnih procesa koji grade ljudske kosti, primjer drugog pristupa. Buehler je, nasuprot tome, započeo s većim materijalom ili strukturom na nivou organa, školjke kraljice školjki i pitao je kako obnoviti tu strukturu s materijalima stvorenim u umjetnosti.
I Tovarov i Buehlerov rad uključuje razlučivanje koji su dijelovi strukture ključni za njegovu funkciju i koji su ostaci različitih evolucijskih pritisaka. Za razliku od živog organizma, biološki nadahnuta kaciga, na primjer, ne mora sadržavati biološke funkcije poput disanja i rasta.
"Ključni dio je da [Buehlerov laboratorij] ponavlja hijerarhijsku složenost koja se nalazi u prirodi", kaže Tovar. „Oni su u stanju proizvesti pomoću aditivnih metoda proizvodnje. Testiraju i vide ovo impresivno povećanje mehaničkih performansi. "
Iako je Buehler dobio sredstva od Ministarstva obrane koje zanimaju kacige i oklopi za tijelo vojnika, kaže da je to jednako primjenjivo i možda korisnije u sportu, poput kaciga za bicikle ili nogometa. "Oni bi mogli biti optimizirani, mogli bi nadići trenutne zahtjeve za dizajnom, koji su prilično pojednostavljeni - imate pjenu, imate tvrdu školjku i to je gotovo sve", kaže on.
Još nema kaciga, kaže Buehler - gradili su materijal i planiraju ga sljedeći način primijeniti na kacige. A dizajn je važan, čak i izvan materijala. "Čak i ako ovdje ne koristimo krute i mekane materijale, one koje smo 3D ispisali, ako to isto učinite s drugim materijalima - možete koristiti čelik i beton ili druge vrste polimera, možda keramiku - Radeći istu stvar, znači iste strukture, možete poboljšati čak i njihova svojstva, osim onoga što mogu sami raditi “, kaže on.
