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        來自海綿骨架的啟示:可簡化空間飛行器的工程設(shè)計(jì)

        2020-04-07 14:50:16多洛米
        海外星云 2020年23期
        關(guān)鍵詞:對(duì)角線晶格格子

        仿生學(xué)廣泛應(yīng)用于科學(xué)領(lǐng)域,比如人們根據(jù)蒼蠅飛行維持平衡的平衡棒發(fā)明了振動(dòng)陀螺儀、根據(jù)蝙蝠的超聲波定位發(fā)明了雷達(dá)、根據(jù)魚通過魚鰾上浮下沉發(fā)明了潛水艇等等,這樣的例子還有很多。

        1841年,英國生物學(xué)家Richard Owen在菲律賓附近發(fā)現(xiàn)的一種新海綿物種,其復(fù)雜的骨架結(jié)構(gòu)讓他為之稱奇。他寫道:“這種動(dòng)物就像是‘一個(gè)精致的聚寶盆’,一個(gè)由堅(jiān)硬、閃亮、有彈性的線編織而成,類似于玻璃紡成的細(xì)毛。”

        這海綿生物叫作Eupletella aspergillum,它的骨骼確實(shí)是由玻璃做的,進(jìn)一步講其實(shí)是海綿從海水中提取的酸合成而來。另外,它還有一個(gè)非常好聽的綽號(hào),叫“維納斯的花籃”。

        180年后,科學(xué)家們?nèi)匀粚?duì)這種獨(dú)特的海綿生物感到驚奇。比如它擁有驚人的壽命,能存活上千年之久;能夠以光纖的方式將光通過硅絲。在近20年里,哈佛大學(xué)的一群生物學(xué)家、材料科學(xué)家和工程師們一直致力于研究這種海綿生物,探究其玻璃骨架的復(fù)雜架構(gòu)。他們最近的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究表明:它的骨骼異常堅(jiān)固,以至于幾乎無法破壞掉?!斑@有點(diǎn)像工程設(shè)計(jì)的圣杯。”亞利桑那州立大學(xué)工程學(xué)副教授Dhruv Bhate說道。

        這種海綿骨架的強(qiáng)度來源于其獨(dú)特的晶格模式。早在20年前,這種結(jié)構(gòu)便首先引起了哈佛材料科學(xué)家和化學(xué)家Joanna Aizenberg的興趣,而Aizenberg最近研究的合著者之一katia Bertoldi,她看到這種獨(dú)特格子圖案的第一眼就被它迷住了?!斑@是一種周期性的體系結(jié)構(gòu),但這絕不是一個(gè)簡單的體系結(jié)構(gòu)。”Bertoldi說。她們表示,構(gòu)成這種獨(dú)特骨架的玻璃梁與桁架有很多共同點(diǎn)。

        一種叫作“維納斯的花籃”的海綿

        海綿骨骼放大圖

        相信大家都有所了解,桁架是用來穩(wěn)定橋梁和摩天大樓的梁的組合。一個(gè)多世紀(jì)以來,工程師們對(duì)桁架的首選設(shè)計(jì)就是堅(jiān)固的格子——由一個(gè)正方形網(wǎng)格組成,對(duì)角線在兩個(gè)方向上延伸以增加支撐?!耙恢币詠恚覀兌家韵嗤姆绞竭M(jìn)行這種操作。”團(tuán)隊(duì)的研究生Matheus Fernandes說。

        然而,這種海綿的骨架具有成對(duì)的雙向?qū)蔷€,而不是縱橫交錯(cuò)在典型桁架上的單個(gè)對(duì)角線。這些線對(duì)彼此隔開,因此網(wǎng)格看起來像棋盤格,對(duì)角線每隔一個(gè)正方形交叉一次。

        研究人員制作并用計(jì)算機(jī)模擬了一個(gè)基于這種海綿骨架的格子模型,并將其與其他三個(gè)重量相同的格子結(jié)構(gòu)(包括標(biāo)準(zhǔn)桁架圖案)進(jìn)行了比較。

        在模擬和實(shí)驗(yàn)中,他們發(fā)現(xiàn)仿生晶格在斷裂前承受了最大的壓力,首先是來自一個(gè)方向的壓縮,然后是來自另一個(gè)測試中三個(gè)點(diǎn)的反向壓力。在進(jìn)一步的模擬中,研究人員改變了對(duì)角線的數(shù)目、間距和厚度,以找到能夠承受最大壓縮的晶格。Fernandes斯說:“通過增加對(duì)角線,海綿的格子比傳統(tǒng)的桁架具有更多的接縫,并且接縫之間的距離更短,這可以使結(jié)構(gòu)在屈曲之前承受更大的壓縮。”

        研究人員還正在為他們創(chuàng)造的這種受海綿啟發(fā)而設(shè)計(jì)的晶格申請(qǐng)專利。在不增加重量的情況下增加建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,理論上可以使橋梁更長、基礎(chǔ)設(shè)施更輕、運(yùn)輸更方便,甚至可以甚至可以簡化空間飛行器的工程設(shè)計(jì)。普渡大學(xué)土木工程教授Pablo Zavattieri說:“經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化,反復(fù)試驗(yàn)的過程產(chǎn)生了更好的材料?!?/p>

        研究人員用計(jì)算機(jī)模擬晶格的受力

        然而,就這種海綿而言,其骨骼不可壓縮性的進(jìn)化目的還尚不明確。因?yàn)楹>d通常生活在幾千米的深海,那里的水壓非常大,但這種壓力來自各個(gè)方向,均勻地壓在海綿骨骼玻璃梁的兩側(cè),從而抵消了自身的壓力?!昂>d并不會(huì)受到擠壓力?!泵绹鴣喞D侵萘⒋髮W(xué)的生物學(xué)家Clint Penick說。

        Penick表示,海綿確實(shí)需要堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)才能站立并從水中過濾浮游生物?!八麄儓?jiān)固的骨骼還可以阻止天敵或防止可能與他們相撞的動(dòng)物造成傷害?!彼a(bǔ)充道。

        強(qiáng)大的抗壓性不是這種海綿的全部特征,它骨架的晶格壁只是其結(jié)構(gòu)的幾個(gè)復(fù)雜層次之一。微觀上可以研究它的纖維是如何在其晶格壁內(nèi)發(fā)生輕微位移的,或者它的蛋白質(zhì)和二氧化硅分子的排列是如何阻止其軌道上的斷裂的;宏觀上可以探究這種骨架如何使海綿過濾水。

        Bhate的團(tuán)隊(duì)正在研究一些線與其他線不完全相連的方式從而使骨架具有柔韌性,并且他還對(duì)這種結(jié)構(gòu)經(jīng)受扭曲的方式感到好奇?!斑@是你可以花一輩子時(shí)間去做的事情,但你仍然沒有復(fù)制所有這些能力,而這恰恰是它令人興奮的原因?!盉hate說?!觯ㄕ悦馈渡羁萍肌罚?/p>

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