De dieren- en plantenwereld hebben wetenschappers al eeuwen geïnspireerd en wetenschappers zijn al lang geïnteresseerd in waarom bepaalde organismen veerkrachtig zijn. Denk aan de schedel en de bek van een specht, de beschermende manier waarop de schubben van een vis elkaar overlappen, of de dikke schil die voorkomt dat een vallende vrucht openbreekt.
gerelateerde inhoud
- Deze slanke, sexy auto's werden allemaal geïnspireerd door vis
- Hoe biomimicry menselijke innovatie inspireert
Een superster op dit gebied is de schelp van de koningin, het soort dat je misschien tegen je oor hebt gehouden om de oceaan te horen. De koninginkroonslak wordt in elkaar geslagen door golven en roofdieren, maar de structuur van het materiaal waaruit de schaal bestaat, is opmerkelijk sterk. Dit komt door de structuur van de schaal, met gekruiste calciumcarbonaatlagen die in verschillende oriëntaties zijn aangelegd en gescheiden door zachtere eiwitten, legt MIT engineering professor Markus Buehler uit, wiens laboratorium een door de mens gemaakte replica van deze structuur ontwierp gebruikt in helmen en andere beschermende bepantsering en publiceerde de resultaten in het tijdschrift Advanced Materials . In zowel de schelp als de door de mens gemaakte versie wisselt de "korrel" van het materiaal 90 graden af, zodat het onwaarschijnlijk is dat impact vanuit een bepaalde richting zijn weg zal vinden.
"Niet alleen kunnen we deze systemen analyseren en modelleren en proberen ze te optimaliseren, maar we kunnen met deze geometrieën echt nieuwe materialen maken", zegt Buehler.
Wetenschappers hebben de structuur van de schaal eerder gemodelleerd, maar de vooruitgang in 3D-printen heeft ertoe geleid dat het team van Buehler deze kon reproduceren. De cruciale innovatie was een extruder (het mondstuk waar het materiaal doorheen stroomt) dat in staat is om meerdere maar gerelateerde polymeren uit te stoten, een die zeer stijf is en een die meer buigzaam is, om de calciumcarbonaat- en eiwitlagen van de schaal te repliceren. Omdat de polymeren vergelijkbaar zijn, kunnen ze zonder lijm aan elkaar worden gebonden, waardoor ze minder snel uit elkaar vallen. In tests - die worden uitgevoerd door staalgewichten van 5, 6 kilogram met verschillende snelheden op vellen van het materiaal te laten vallen - vertoonde de gekruiste structuur een toename van 85 procent in de energie die het kon absorberen, in vergelijking met hetzelfde materiaal zonder.
Het lijkt misschien eenvoudig om dingen te ontwerpen op basis van de natuur, maar er is veel meer om te overwegen dan alleen een object rechtstreeks te kopiëren, wijst erop dat Indiana University-Purdue University Indianapolis hoogleraar werktuigbouwkunde Andreas Tovar. Tovar, die niet was aangesloten bij de MIT-studie, werkt ook aan bio-geïnspireerde beschermende structuren, zoals een auto-ontwerp op basis van een waterdruppel en beschermd door een structuur die lijkt op een ribbenkast.
De moleculaire structuur van de schelp kan ooit worden gebruikt om sterkere helmen of kogelvrije vesten te maken. (Wikimedia Commons) "Er zijn twee manieren om bio-geïnspireerd ontwerp te maken", zegt hij. “Eén ervan is door de structuur in de natuur te observeren en vervolgens die structuur na te bootsen. De tweede benadering is door het proces na te bootsen dat de natuur doet om een structuur te creëren. ”Tovar ontwikkelde bijvoorbeeld een algoritme om de cellulaire processen na te bootsen die menselijke botten bouwen, een voorbeeld van de tweede benadering. Buehler daarentegen begon met het grotere materiaal, of structuur op orgelniveau, van de schelp van de koningin en vroeg hoe deze structuur opnieuw te maken met door de mens gemaakte materialen.
Zowel het werk van Tovar als dat van Buehler omvat het onderscheiden van welke delen van de structuur instrumenteel zijn voor zijn functie, en wat overblijfselen zijn van verschillende evolutionaire druk. In tegenstelling tot een levend organisme hoeft een bio-geïnspireerde helm bijvoorbeeld geen biologische functies zoals ademhaling en groei te bevatten.
“Een belangrijk onderdeel is dat [Buehler's lab] de hiërarchische complexiteit repliceert die in de natuur wordt gevonden, zegt Tovar. “Ze kunnen produceren met behulp van additieve productiemethoden. Ze testen en ze zien deze indrukwekkende toename van mechanische prestaties. "
Hoewel Buehler financiering ontving van het ministerie van Defensie, dat geïnteresseerd is in helmen en kogelvrije vesten voor soldaten, zegt hij dat het net zo toepasselijk en mogelijk nuttiger is in sporten, zoals fiets- of voetbalhelmen. "Ze kunnen worden geoptimaliseerd, ze kunnen verder gaan dan de huidige ontwerpvereisten, die vrij simplistisch zijn - je hebt wat schuim, je hebt een harde schaal, en dat is het vrijwel", zegt hij.
Er is nog geen helm, zegt Buehler - ze hebben het materiaal gebouwd en zijn van plan het vervolgens op helmen toe te passen. En het ontwerp is belangrijk, zelfs voorbij het materiaal. “Zelfs als we niet de stijve en zachte materialen gebruiken die we hier hebben gebruikt, degene die we 3D-geprint hebben, als je hetzelfde doet met andere materialen - je kunt staal en beton gebruiken, of andere soorten polymeren, misschien keramiek - door hetzelfde te doen, dat wil zeggen dezelfde structuren, kun je zelfs hun eigenschappen verbeteren, verder dan wat ze alleen kunnen doen, "zegt hij.
