外星人|受深水海洋海绵骨骼启发 科学家开发出更强更轻的承重结构
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当我们想到海绵时 ， 我们往往会想到柔软而粘软的东西 。 但是来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员 ， 正在利用海洋海绵的玻璃骨架结构作为下一代更坚固、更高建筑物、更长桥梁和更轻的航天器的灵感来源 。
图注：深水海洋海绵"Euplectellaaspergillum"的骨架
在《自然材料》杂志上发表的一篇新论文中 ， 研究人员表明 ， 与几个世纪以来在建筑和桥梁建筑中采用的传统格子设计相比 ， 深水海洋海绵Euplectellaaspergillum的对角增强方形格子状骨架结构具有比传统格子设计更高的强度重量比 。
“我们发现 ， 海绵的对角线加固策略可以在给定数量的材料中实现超高的抗屈曲性 ， 这意味着我们可以通过智能地重新布置结构中的现有材料来构建更坚固、更具弹性的结构 ， ”哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）研究人员和该论文的第一作者介绍说 。
哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的资深科学家 ， 论文的相应作者之一詹姆斯·韦弗说：“在许多领域 ， 例如航空航天工程 ， 结构的强度重量比至关重要 。 ”“这种受生物启发的几何形状可以为设计更轻 ， 更坚固的结构提供广泛的应用的路线图 。 ”
如果你走过一座有盖的桥梁或一个金属存储架 ， 那么您会看到对角网格架构 。 这种类型的设计使用许多较小的、间隔很近的对角梁来均匀分布施加的载荷 。 这种几何形状在19世纪年代初期由建筑师和土木工程师IthielTown申请了专利 ， 他们希望用轻质廉价的材料制造坚固的桥梁 。
“IthielTown开发出一种稳定 ， 成本低廉的方法来稳定方格结构 ， 这一方法一直沿用至今 。 ”费尔南德斯说 ， “这项工作完成了 ， 但不是最优的 ， 导致浪费或多余的材料 ， 并限制了我们可以建造的高度 。 推动这项研究的主要问题之一是 ， 我们可以从材料分配的角度使这些结构更有效吗？最终使用更少的材料达到相同的强度？”
图注：复合渲染从左侧的玻璃状海绵骨架过渡到右侧的基于钢筋的焊接晶格 ， 突显了这项研究的生物学灵感 。
幸运的是 ， 玻璃海绵 ， 即Euplectellaaspergillum的组织结构（也称为维纳斯的花篮） ， 在事物的研究和开发方面 ， 已经领先了近5亿年 。 为了支撑其管状体 ， Euplectellaaspergillum采用两组平行对角骨骼支柱 ， 这些支柱相交并融合到基础方形网格中 ， 形成坚固的棋盘状图案 。
韦弗说：“我们研究海绵骨骼系统的结构——功能关系已有20多年了 ， 这些物种继续使我们感到惊讶 。 ”
在模拟和实验中 ， 研究人员复制了该设计并将海绵的骨架结构与现有的晶格几何形状进行了比较 。 海绵设计胜过所有产品 ， 可承受较重的载荷而不会弯曲 。 研究人员表明 ， 成对的平行交叉对角线结构将整体结构强度提高了20％以上 ， 而无需添加其他材料即可达到此效果 。
【外星人|受深水海洋海绵骨骼启发 科学家开发出更强更轻的承重结构】卡蒂娅·贝托迪（KatiaBertoldi） ， 威廉（William）和AmiKuan说：“我们的研究表明 ， 从海绵骨骼系统研究中获得的经验知识可用于构建几何优化的结构 ， 以延迟屈曲 ， 这对改进现代基础设施应用中的材料使用具有重大意义 。 ”
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