生物启发建筑:由海绵启发的下一代摩天大楼和桥梁

海海绵骨架

曲霉真叶藻的骨架,一种深海海绵。图片来源:哈佛海洋的Matheus Fernandes提供

生物启发的建筑可以为更坚固、更轻的结构铺平道路。

当我们想到海绵时,我们倾向于想到一些又软又湿的东西。但是来自哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员正以海绵的玻璃骨架为灵感,建造下一代更坚固、更高的建筑、更长的桥梁和更轻的宇宙飞船。

在一篇新的论文中自然材料研究人员发现,这种对角线加固的方形网格状骨骼结构Euplectella洒水器与几个世纪以来一直用于建筑和桥梁建设的传统格构设计相比,格构设计具有更高的强度重量比。

“我们发现海绵的对角强化策略达到最高的抗弯性对于一个给定的材料数量,这意味着我们可以构建更强大和更有弹性的结构通过明智地重新安排现有材料在结构、“Matheus费尔南德斯说,海洋和研究生论文的第一作者。

“在许多领域,比如航空航天工程,结构的强度重量比是至关重要的,”海洋研究所的资深科学家、论文的通讯作者之一詹姆斯·韦弗(James Weaver)说。“这种受生物启发的几何结构可以为设计更轻、更强的结构提供一个路线图,用于广泛的应用。”

如果你曾经走过一座有顶棚的桥或组装过一个金属储存架,你就会看到对角格子结构的建筑。这种设计使用许多小的,紧密间隔的对角梁,以均匀分布施加的荷载。这种几何结构在19世纪早期获得了建筑师和土木工程师ithel Town的专利,他希望找到一种方法,用轻型和廉价的材料建造坚固的桥梁。

Bioinspired架构

合成渲染,从左边的玻璃海绵骨架过渡到右边的基于钢筋的焊接晶格,突出了研究的生物启发性质。图片来源:皮特·艾伦、瑞安·艾伦和詹姆斯·c·韦弗/哈佛海洋

费尔南德斯说:“Town开发了一种简单、经济有效的方法来稳定方形格子结构,这种方法一直沿用至今。”“它完成了工作,但它不是最佳的,导致浪费或多余的材料,并限制了我们可以建多高。推动这项研究的一个主要问题是,我们能否从材料配置的角度使这些结构更高效,最终使用更少的材料来达到相同的强度?”

幸运的是,玻璃海绵,这群人Euplectella洒水器-亦称金星“花篮属于”在研发方面领先近5亿年。为了支撑它管状的身体Euplectella曲霉菌采用了两组平行的对角线骨架支柱,交叉并融合到一个下方的方形网格上,形成一个强大的棋盘状图案。

“我们已经研究海绵骨骼系统的结构-功能关系超过20年了,这些物种继续给我们带来惊喜,”韦弗说。

在模拟和实验中,研究人员重复了这种设计,并将海绵的骨骼结构与现有的格子几何结构进行了比较。海绵设计优于所有的设计,能承受更重的载荷而不弯曲。研究人员表示,这种成对平行交叉对角线结构使整体结构强度提高了20%以上,而不需要添加额外的材料来达到这种效果。

“我们的研究表明,教训研究海绵骨骼系统可以利用建立结构几何优化延迟失稳,与巨大的影响提高材料使用在现代基础设施应用程序,”凯蒂Bertoldi说,威廉和Ami Kuan Danoff海洋应用力学教授和这项研究的通讯作者。

参考:2020年9月21日,由matheos C. Fernandes, Joanna Aizenberg, James C. Weaver和Katia Bertoldi创作的“深海玻璃海绵启发的机械坚固的晶格”。自然材料
DOI: 10.1038 / s41563 - 020 - 0798 - 1

哈佛大学技术发展办公室已经保护了与该项目有关的知识产权,并正在探索商业化的机会。

本文也由乔安娜Aizenberg合著,艾米·史密斯Berylson教授材料科学与海洋化学与化学生物学教授和研究是由美国国家科学基金会支持部分通过哈佛大学材料科学与工程研究中心dmr - 2011754和NSF DMREF格兰特dmr - 19223yabovip202121yabo124

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