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自然材料：海綿為下一代摩天大樓和橋梁提供靈感
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自然材料：海綿為下一代摩天大樓和橋梁提供靈感
圖片來源：維基百科
當我們想到海綿的時候，往往會想到柔軟和黏著感。但是來自哈佛大學約翰·A·保爾森工程和應用科學學院(SEAS)的研究人員正在利用來自海洋海綿玻璃骨架的靈感以建造下一代更堅固更高的建築、更長的橋梁及更輕的航天器。
一篇發表在《自然材料》的新論文中,研究人員介紹了Euplectella aspergillum，這是一種深海海綿，它具有對角線加固的方形網架骨架結構，比幾個世紀以來用於建築和橋梁建造的傳統網架結構具有更高的強度重量比。
我們發現在給定的材料量下，海綿的對角加固策略可以獲得最高的抗屈曲性能,這意味著可以通過對現有材料結構的智能重排結來建造更強更有彈性的結構，“Matheus Fernandes說,他是SEAS的一名研究生，也是論文的第一作者。
James Weaver說：“在許多領域，如航空航天工程，結構的強度重量比是至關重要的，”他是海洋研究所的資深科學家，也是該論文的通訊作者之一。“這種受生物啟發的幾何形狀可以為設計更輕盈、堅固的結構提供廣泛的應用路線圖。”
如果你曾經路過一座有頂棚的橋或組裝過一個金屬存儲架，你就知道對角結構的樣子了。這種類型的設計使用許多小的、間隔緊密的對角梁均勻分散施加的荷載。19世紀初，建築師和土木工程師Ithiel Town申請了這種幾何形狀的專利，他希望能用輕質廉價材料建造堅固橋梁。
“Town開發的這種簡單、經濟有效的穩定方法，即方形格子結構至今仍在使用。”Fernandes說，“這種方法是有效的，但並非最好的，它導致了材料的浪費和冗餘，並限製了建造的高度。推動這項研究的主要問題之一是，我們能否從材料分配的角度使這些結構更高效，最終使用更少的材料來實現同樣的強度?”
幸運的是，玻璃海綿，也就是Euplectella aspergilles一族（也叫做也被稱為阿氏偕老同穴）——有著領先了近5億年的研發經驗。為了支撐其管狀體，Euplectella aspergillum使用兩套平行的對角骨架支柱，交叉並融合到一個下方的正方形網格中，形成一個健壯的棋盤狀圖案。
複合渲染，從左邊的玻璃海綿骨架過渡到右邊的焊接鋼筋基晶格，突出了該研究受到的生物學靈感啟發。圖片由Peter Allen, Ryan Allen和James C. Weaver/Harvard SEAS提供
Weaver說:“20多年來，我們一直在研究海綿骨骼係統的結構-功能關係，這些物種仍然在給我們帶來驚喜。”
在模擬和實驗中，研究人員重複了這種設計，並將海綿的骨架結構與現有的晶格幾何結構進行了比較。海綿的設計超過了所有的設計，可以承受更重的荷載而不彎曲。研究人員發現，成對平行的交叉對角線結構將整體結構強度提高了20％以上，且無需ac添加額外的材料就能實現這一效果。
一種深海海綿Euplectella aspergillum的骨架形態。資料來源:Matheus Fernandes/Harvard SEAS
SEAS的應用力學教授，也是這項研究的通訊作者Katia Bertoldi，William和Ami Kuan Danoff 表示：“我們的研究表明，從海綿骨骼係統的研究中汲取的經驗教訓可以用來構建經幾何優化以延緩屈曲的結構，這對改進現代基礎設施應用中的材料使用具有重大意義。”
翻譯：曾欣欣
審校：董子晨曦
引進來源：哈佛大學約翰·A·保爾森工程和應用科學學院
引進鏈接：https://phys.org/news/2020-09-marine-sponges-skyscrapers-bridges.html
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圖片來源：維基百科
當我們想到海綿的時候，往往會想到柔軟和黏著感。但是來自哈佛大學約翰·A·保爾森工程和應用科學學院(SEAS)的研究人員正在利用來自海洋海綿玻璃骨架的靈感以建造下一代更堅固更高的建築、更長的橋梁及更輕的航天器。
一篇發表在《自然材料》的新論文中,研究人員介紹了Euplectella aspergillum，這是一種深海海綿，它具有對角線加固的方形網架骨架結構，比幾個世紀以來用於建築和橋梁建造的傳統網架結構具有更高的強度重量比。
我們發現在給定的材料量下，海綿的對角加固策略可以獲得最高的抗屈曲性能,這意味著可以通過對現有材料結構的智能重排結來建造更強更有彈性的結構，“Matheus Fernandes說,他是SEAS的一名研究生，也是論文的第一作者。
James Weaver說：“在許多領域，如航空航天工程，結構的強度重量比是至關重要的，”他是海洋研究所的資深科學家，也是該論文的通訊作者之一。“這種受生物啟發的幾何形狀可以為設計更輕盈、堅固的結構提供廣泛的應用路線圖。”
如果你曾經路過一座有頂棚的橋或組裝過一個金屬存儲架，你就知道對角結構的樣子了。這種類型的設計使用許多小的、間隔緊密的對角梁均勻分散施加的荷載。19世紀初，建築師和土木工程師Ithiel Town申請了這種幾何形狀的專利，他希望能用輕質廉價材料建造堅固橋梁。
“Town開發的這種簡單、經濟有效的穩定方法，即方形格子結構至今仍在使用。”Fernandes說，“這種方法是有效的，但並非最好的，它導致了材料的浪費和冗餘，並限製了建造的高度。推動這項研究的主要問題之一是，我們能否從材料分配的角度使這些結構更高效，最終使用更少的材料來實現同樣的強度?”
幸運的是，玻璃海綿，也就是Euplectella aspergilles一族（也叫做也被稱為阿氏偕老同穴）——有著領先了近5億年的研發經驗。為了支撐其管狀體，Euplectella aspergillum使用兩套平行的對角骨架支柱，交叉並融合到一個下方的正方形網格中，形成一個健壯的棋盤狀圖案。
複合渲染，從左邊的玻璃海綿骨架過渡到右邊的焊接鋼筋基晶格，突出了該研究受到的生物學靈感啟發。圖片由Peter Allen, Ryan Allen和James C. Weaver/Harvard SEAS提供
Weaver說:“20多年來，我們一直在研究海綿骨骼係統的結構-功能關係，這些物種仍然在給我們帶來驚喜。”
在模擬和實驗中，研究人員重複了這種設計，並將海綿的骨架結構與現有的晶格幾何結構進行了比較。海綿的設計超過了所有的設計，可以承受更重的荷載而不彎曲。研究人員發現，成對平行的交叉對角線結構將整體結構強度提高了20％以上，且無需ac添加額外的材料就能實現這一效果。
一種深海海綿Euplectella aspergillum的骨架形態。資料來源:Matheus Fernandes/Harvard SEAS
SEAS的應用力學教授，也是這項研究的通訊作者Katia Bertoldi，William和Ami Kuan Danoff 表示：“我們的研究表明，從海綿骨骼係統的研究中汲取的經驗教訓可以用來構建經幾何優化以延緩屈曲的結構，這對改進現代基礎設施應用中的材料使用具有重大意義。”
翻譯：曾欣欣
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