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    海洋海绵激发了下一代摩天大楼和桥梁:受生物启发的建筑可以为更坚固,更轻的结构铺平道路
    2021年04月19日    阅读量:1079    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

    当我们想到海绵时,我们往往会想到柔软而粘软的东西。但是,哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员正在将海洋海绵的玻璃状骨架用作下一代更坚固,更高的建筑,更长的桥梁和更轻的航天器的灵感。


    在发表于《自然材料》上的一篇新论文中,研究人员表明,深水海洋海绵Euplectella aspergillum的对角增强方格状骨架结构比传统格状设计具有更高的强度/重量比中国建材网cnprofit.com。在建筑物和桥梁的建造中使用了几个世纪。


    “我们发现,海绵的对角线加固策略可以在给定数量的材料中实现最高的抗屈曲性,这意味着我们可以通过智能地重新布置结构中的现有材料来构建更坚固,更具弹性的结构,”马修斯·费尔南德斯(Matheus Fernandes)说, SEAS和该论文的第一作者。


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    SEAS的资深科学家,论文的相应作者之一詹姆斯·韦弗说:“在许多领域,例如航空航天工程,结构的强度重量比至关重要。” “这种受生物启发的几何形状可以为设计更轻,更坚固的结构提供广泛的应用的路线图。”


    如果您曾经走过有盖桥或将金属储物架放在一起,那么您会看到对角网格架构。这种类型的设计使用许多较小的,间隔很近的对角梁来均匀分布施加的载荷。这种几何形状在1800年代初期由建筑师和土木工程师Ithiel Town申请了专利,他们希望采用轻质廉价的材料制造坚固的桥梁。


    费尔南德斯说:“镇政府开发了一种简单,经济高效的方法来稳定方格结构,这一方法一直沿用到今天。” “这项工作完成了,但不是最优的,导致浪费或多余的材料,并限制了我们可以建造的高度。推动这项研究的主要问题之一是,我们可以从材料分配的角度使这些结构更有效吗? ,最终使用更少的材料来达到相同的强度?”


    幸运的是,玻璃海绵是曲霉(Euplectella aspergillum)(也称为维纳斯的花篮)所属的一个组织,在事物的研发方面有近五亿年的领先优势。为了支撑其管状体,Euplectella aspergillum采用了两组平行的对角骨骼支撑,这些支撑相交并融合在下面的方形网格上,以形成坚固的棋盘状图案。


    韦弗说:“我们研究海绵骨骼系统的结构-功能关系已有20多年了,这些物种继续使我们感到惊讶。”


    在模拟和实验中,研究人员复制了此设计,并将海绵的骨架结构与现有的晶格几何形状进行了比较。海绵设计胜过所有产品,可承受较重的载荷而不会弯曲。研究人员表明,成对的平行交叉对角线结构将整体结构强度提高了20%以上,而无需添加其他材料即可达到此效果。


    Katia Bertoldi,William和Ami Kuan表示:“我们的研究表明,从海绵骨骼系统研究中获得的经验教训可用于构建几何优化的结构,以延迟屈曲,这对改进现代基础设施应用中的材料使用具有重大意义。” Danoff是SEAS的应用力学教授,也是该研究的通讯作者。


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