科学家开发更强更轻的新型承重结构,结构强度提高20%以上

据外媒New Atlas报道,从下一代防弹衣到治疗结核病的新方法,海绵为科学界提供了很多东西,现在我们看到它们如何激发出更强更轻的摩天大楼和桥梁。受海绵骨骼启发,哈佛大学的工程师们已经展示了一种基于这些海洋生物的玻璃状骨骼的新型承重结构,他们说这种结构比目前的解决方案强20%以上。该研究发表在《自然-材料杂志上。

受海绵骨骼启发 科学家开发出更强更轻的承重结构

对角格架构是典型的有盖桥梁的骨干,由轻质和便宜的材料建造,利用紧密排列的对角梁来均匀地分散载荷。工程师们从19世纪初就开始使用这种方法,这种技术也被用来支撑高楼大厦,甚至是你在当地家庭装修商店里可以找到的金属储物架。但哈佛大学的团队认为还有改进的空间。

“它能完成工作,但它不是最佳的,导致材料的浪费或冗余,以及我们可以建造多高的上限,”该研究的第一作者Matheus Fernandes说。“推动这项研究的主要问题之一是,从材料分配的角度来看,我们是否可以让这些结构更有效率,最终使用更少的材料来达到同样的强度?”

来自哈佛大学工程师与应用科学学院(SEAS)的Fernandes和他的合作者已经研究了二十多年的海洋海绵的骨骼系统,并在一种被称为Euplectella aspergillum的物种中发现了一些新的潜力。

受海绵骨骼启发 科学家开发出更强更轻的承重结构

这种玻璃海绵的骨架依靠复杂的棋盘式图案,由对角线支柱连接到底层的方形网格,形成一个坚固的结构,支撑着生物的管状身体。“我们研究海绵骨骼系统的结构-功能关系已经超过20年了,这些物种不断给我们带来惊喜,”研究作者James Weaver说。

科学家们创造了这种骨骼结构的人工版本,并通过模拟和实验,将其作为承重结构的性能与今天通常使用的网格几何结构进行了比较。这种受海绵启发的架构胜过了所有的架构,在不需要额外材料的情况下,结构强度提高了20%以上。

“我们的研究表明,可以利用从海绵骨骼系统研究中获得的经验教训来构建几何优化的结构,以延缓弯曲,这对改善现代基础设施应用中的材料使用具有巨大的意义,”研究作者Katia Bertoldi说。

该团队表示,这种架构提供了 “给定数量的材料的最高抗弯曲性”,开启了一些令人兴奋的可能性。这可能包括新的桥梁、建筑,甚至是更有效利用材料的飞机和航天器

“在许多领域,如航空航天工程,结构强度重量比是至关重要的,”Weaver说。“这种生物启发的几何结构可以为设计更轻、更强的结构提供路线图,以满足广泛的应用需求。” [cnbeta]

哈佛技术发展办公室已经申请了与该项目有关的知识产权,并正在探索商业化机会。

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