2021-04-19
 
海洋海綿激發了下一代摩天大樓和橋梁:受生物啟發的建筑可以為更堅固,更輕的結構鋪平道路
2021年04月19日  

當我們想到海綿時,我們往往會想到柔軟而粘軟的東西。但是,哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)的研究人員正在將海洋海綿的玻璃狀骨架用作下一代更堅固,更高的建筑,更長的橋梁和更輕的航天器的靈感。


在發表于《自然材料》上的一篇新論文中,研究人員表明,深水海洋海綿Euplectella aspergillum的對角增強方格狀骨架結構比傳統格狀設計具有更高的強度/重量比中國建材網cnprofit.com。在建筑物和橋梁的建造中使用了幾個世紀。


“我們發現,海綿的對角線加固策略可以在給定數量的材料中實現最高的抗屈曲性,這意味著我們可以通過智能地重新布置結構中的現有材料來構建更堅固,更具彈性的結構,”馬修斯·費爾南德斯(Matheus Fernandes)說, SEAS和該論文的第一作者。


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SEAS的資深科學家,論文的相應作者之一詹姆斯·韋弗說:“在許多領域,例如航空航天工程,結構的強度重量比至關重要?!?“這種受生物啟發的幾何形狀可以為設計更輕,更堅固的結構提供廣泛的應用的路線圖?!?/p>


如果您曾經走過有蓋橋或將金屬儲物架放在一起,那么您會看到對角網格架構。這種類型的設計使用許多較小的,間隔很近的對角梁來均勻分布施加的載荷。這種幾何形狀在1800年代初期由建筑師和土木工程師Ithiel Town申請了專利,他們希望采用輕質廉價的材料制造堅固的橋梁。


費爾南德斯說:“鎮政府開發了一種簡單,經濟高效的方法來穩定方格結構,這一方法一直沿用到今天?!?“這項工作完成了,但不是最優的,導致浪費或多余的材料,并限制了我們可以建造的高度。推動這項研究的主要問題之一是,我們可以從材料分配的角度使這些結構更有效嗎? ,最終使用更少的材料來達到相同的強度?”


幸運的是,玻璃海綿是曲霉(Euplectella aspergillum)(也稱為維納斯的花籃)所屬的一個組織,在事物的研發方面有近五億年的領先優勢。為了支撐其管狀體,Euplectella aspergillum采用了兩組平行的對角骨骼支撐,這些支撐相交并融合在下面的方形網格上,以形成堅固的棋盤狀圖案。


韋弗說:“我們研究海綿骨骼系統的結構-功能關系已有20多年了,這些物種繼續使我們感到驚訝?!?/p>


在模擬和實驗中,研究人員復制了此設計,并將海綿的骨架結構與現有的晶格幾何形狀進行了比較。海綿設計勝過所有產品,可承受較重的載荷而不會彎曲。研究人員表明,成對的平行交叉對角線結構將整體結構強度提高了20%以上,而無需添加其他材料即可達到此效果。


Katia Bertoldi,William和Ami Kuan表示:“我們的研究表明,從海綿骨骼系統研究中獲得的經驗教訓可用于構建幾何優化的結構,以延遲屈曲,這對改進現代基礎設施應用中的材料使用具有重大意義?!?Danoff是SEAS的應用力學教授,也是該研究的通訊作者。


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