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BioinSpired架构：下一代由海绵的摩天大楼和桥梁启发

时间：2022-05-19 10:25:06 来源：

Euplectella曲霉的骨架，深水海绵。

BioinSpired架构可以为更强，更轻的结构铺平道路。

当我们考虑海绵时，我们倾向于想到一些柔软和柔软的东西。但是来自哈佛约翰A.保尔森工程学院的研究人员和应用科学学院（SEAR）正在使用海绵的玻璃骨架作为下一代更强大和更高的建筑物，更长的桥梁和更轻的航天器的灵感来源。

在新论文中公布的自然材料中，研究人员表明，欧洲海绵的欧洲海绵曲霉的对角增强的方形晶格状骨骼结构具有比传统的格子设计更高的强度 - 重量比几个世纪以来在建筑物和桥梁的建造中。

“我们发现海绵的对角线增强策略实现了给定金属材料的最高屈曲阻力，这意味着我们可以通过智能地重新排列结构内的现有材料来构建更强和更具弹性的结构，”研究生Mathandes at Matheus Fernandes说海洋和第一作者的论文。

“在诸如航空航天工程的许多领域，结构的力量到重量比是批判性重要的，”海洋的高级科学家詹姆斯·韦弗表示，这篇论文的相应作者之一。“这种生物启发的几何形状可以提供用于设计较轻，更强大的结构的路线图，用于广泛的应用。”

如果你曾经穿过盖桥或者把金属储物架子一起走过，所以你已经看到了对角晶格架构。这种类型的设计使用许多小，紧密间隔的对角线梁均匀地分布施加的负载。这种几何形状于180年代初获得专利的建筑师和土木工程师Ithiel镇，他希望采用一种制造坚固的桥梁，从轻质和廉价的材料中制作坚固的桥梁。

综合渲染，其从左侧的玻璃海绵骨架转换到右侧焊接钢筋的格子，突出了该研究的生物启发性质。

“镇开发了一种简单，经济效益的方式来稳定方形格子结构，这些方法已经习惯了这一天，”Fernandes说。“它完成了工作，但它不是最佳的，导致浪费或冗余的材料，以及我们可以建立的高度。驾驶这项研究的主要问题之一是，我们可以从材料分配角度更高效地使这些结构更有效，最终使用更少的材料来实现相同的力量吗？“

幸运的是，玻璃海绵，血液曲叶菌的群体 - 否则被称为金星的花篮所属 - 有近20亿年的头部开始研究事物的开发方面。为了支持其管状体，欧洲血曲霉采用两组平行的对角线骨架支柱，其与底层平坦的栅格相交并融合，形成鲁棒棋盘状图案。

“我们一直在研究海绵骨架系统中的结构功能关系超过20年，这些物种继续让我们惊喜，”韦弗说。

在仿真和实验中，研究人员复制了这种设计，并将海绵的骨架架构与现有的格子几何形状进行了比较。海绵设计表现优于他们所有，耐受较重的负荷，没有屈曲。研究人员表明，配对的平行交叉对角线结构通过20％以上提高了整体结构强度，而无需添加额外的材料以实现这种效果。

“我们的研究表明，从海绵骨骼系统的研究中学到的经验教训可以利用来构建几何优化以延迟屈曲的结构，具有巨大影响现代基础设施应用中的材料使用，”威廉和阿米克海域应用力学的丹夫教授和研究的通讯作者。

参考：“由深海玻璃海绵启发的机械强大的格子”由Matheus C. Fernandes，Jamans Aizenberg，James C. Weaver和Katia Bertoldi，2020年9月21日，自然材料.DOI：
10.1038 / S41563-020-0798.1.

哈佛技术发展办公室已经保护了与该项目有关的知识产权，并正在探索商业化机会。

本文还由Joanna Aizenberg，Amy Smith Bercolson材料科学教授和海域化学和化学生物学教授教授共同撰写，并通过哈佛大学材料研究科学和工程，部分由国家科学基金会得到支持中心DMR-2011754和NSF DMREF Grant DMR-1922321

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