深海的這種柔軟生物,為建造更堅固的新一代摩天大樓帶來啓發_風聞
Science_北京-不惧过往,不畏将来!2020-09-23 15:06


研究人員受深海海綿的玻璃骨架啓發,正致力於將其格狀骨架結構運用於新一代建築的建造中。
深海海綿阿氏偕老同穴的骨架結構。
每當談及海綿,我們的腦海中往往會浮現出一團柔軟、黏糊糊的物質。
《自然·材料學》雜誌當地時間9月21日報道,美國哈佛大學工程與應用科學學院的研究人員受深海海綿(Euplectella aspergillum)的骨骼結構啓發,正致力於將它的“對角增強”格狀骨架運用於新一代高樓、橋樑及輕型航天器的建設中。
這種格狀骨架具有比傳統斜條格構更高的強度質量比。
論文作者、SEAS研究生Matheus Fernandes説:“我們發現,Euplectella aspergillum的對角強化策略,使其能在給定材料數量下達到最強抗彎性。借鑑這種策略,工程師們可以重新設計現有材料的排布方式,從而構建更強大、更具彈性的結構。”
論文作者、SEAS資深科學家James Weaver補充説:“在航空航天工程等領域,結構的強度質量比是非常重要的。我們設計的這種仿生幾何結構,可以為更輕便更穩固的應用設計提供思路。”
玻璃海綿骨架(左)向焊接鋼筋基斜條格構的過渡(渲染效果)。
對角格結構常見於帶頂棚的橋和金屬儲存架中。這種結構設計通過許多小型、緊密間隔的對角梁均勻分攤載荷,並且一直沿用至今。
Fernandes提出質疑:“這種方法有一些缺點,例如浪費材料、建造高度受限等。我們能否從材料分配的角度出發,用最少的材料達到最高的強度?”
這時,來自深海的玻璃海綿進入了Fernandes團隊的視野。玻璃海綿為了支撐自己的管狀體,將兩套平行的對角骨骼支柱交叉、融合到正方形網格中,形成了一組穩固的棋盤狀圖案。
Weaver説:“20多年來,我們一直在研究海綿骨骼系統的結構-功能關係。然而時至今日,這個物種仍然讓我們感到驚訝。”
在模擬實驗中,研究人員發現,仿生海綿系統可將整體結構強度提高20%以上,並且無需額外添加任何材料就能達到這一效果。
論文作者、SEAS應用力學教授Katia Bertoldi評價道:“海綿骨骼系統可延遲結構失穩,推動材料在現代基礎設施建設中的合理化應用。”
編譯:雷鑫宇
審稿:西莫
責編:陳之涵
期刊來源:《自然·材料學》
期刊編號:1476-1122
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https://phys.org/news/2020-09-marine-sponges-skyscrapers-bridges.html
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