Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS) используют стеклянные скелеты морских губок в качестве вдохновения для создания следующего поколения более сильных и высоких зданий, более длинных мостов и более легких космических кораблей.

В новой статье, опубликованной в Nature Materials, исследователи показали, что усиленная по диагонали квадратная решетчатая скелетная структура Euplectella aspergillum, глубоководной морской губки, имеет более высокое отношение прочности к массе, чем традиционные решетчатые конструкции, которые веками использовались при строительстве зданий и мостов.

В своем исследовании ученые обнаружили, что стратегия диагонального армирования губки обеспечивает наивысшее сопротивление продольному изгибу для данного количества материала — ее тела.

«Мы можем создавать более прочные и более упругие конструкции, разумно переставляя существующий материал в структуре», — объясняет Матеус Фернандес, аспирант в SEAS и первый автор статьи.

«Во многих областях, таких как аэрокосмическая техника, отношение прочности к весу конструкции критически важно, — добавляет Джеймс Уивер, старший научный сотрудник SEAS и один из авторов статьи. – Эта геометрия, вдохновленная биологией, может обеспечить дорожную карту для разработки более легких и прочных структур для широкого спектра применений».

Если вы когда-нибудь проходили по крытому мосту или собирали металлическую полку для хранения вещей, вы наблюдали архитектуру с диагональной решеткой. В этом типе конструкции используется множество небольших близко расположенных диагональных балок для равномерного распределения приложенных нагрузок. Эта геометрия была запатентована в начале 1800-х годов архитектором и инженером-строителем Итиэлем Тауном, который хотел создать прочные мосты из легких и дешевых материалов.

Компания Town разработала простой и экономичный способ стабилизации квадратных решетчатых конструкций, который используется по сей день. Он выполняет свою работу, но это не оптимально, что приводит к потере или избыточному расходу материала и ограничению высоты строения.

«Один из основных вопросов, на котором основывалось это исследование, заключался в том, можем ли мы сделать эти конструкции более эффективными с точки зрения распределения материалов, в конечном итоге используя меньше материала для достижения той же прочности?» — объясняет Фернандес.

Стеклянные губки, группа, к которой принадлежит Euplectella aspergillum, также известная как Цветочная корзина Венеры, имела фору почти на полмиллиарда лет в области исследований и разработок. Чтобы поддерживать свое трубчатое тело, Euplectella aspergillum использует два набора параллельных диагональных скелетных распорок, которые пересекаются и сливаются с лежащей под ним квадратной сеткой, образуя прочный узор в виде шахматной доски.

Композитный рендеринг, который переходит от остекления стеклянной губки слева к решетке на основе сварной арматуры справа, подчеркивая биологический характер исследования. Предоставлено: изображение предоставлено Питером Алленом, Райаном Алленом и Джеймсом К. Уивером / Гарвард

«Мы изучаем взаимосвязи между структурой и функцией в скелетных системах губок более 20 лет, и эти виды продолжают нас удивлять», — подчеркивает Уивер.

В ходе моделирования и экспериментов исследователи воспроизвели дизайн и сравнили скелетную архитектуру губки с существующей геометрией решетки. Конструкция губки превзошла их все, выдерживая более тяжелые нагрузки. Исследователи показали, что парная параллельная перекрестно-диагональная структура улучшила общую прочность конструкции более чем на 20 процентов, без необходимости добавления дополнительного материала для достижения этого эффекта.