ספוג ים עמוק נותן השראה למבנה סריג חזק במיוחד להנדסה

צוות מהנדסים מהמרכז של RMIT למבנים וחומרים חדשניים השתמש ביומימיקה כדי לפתח מבנה סריג חזק במיוחד המספק ביצועים משופרים בהשוואה לאפשרויות מסורתיות מבוססות חלת דבש.

בהשראת ספוג הים העמוק, סל הפרחים של ונוס, העיצוב ממנף מיליוני שנים של אבולוציה כדי לייעל את האקסטיות, הנוקשות וספיגת האנרגיה. הנה איך מבנה הסריג החזק הזה יכול להיות המפתח לפתיחת מבנים מהדור הבא, הליכים רפואיים ועוד הרבה יותר.

הבנת חומרים עזר

כדי להבין את החשיבות של פיתוח זה, חיוני להבין את התפקיד המכריע של חומרים אוקסטיים ביישומים טבעיים ומעשה ידי אדם כאחד. חומרים אלה שונים מהפריטים המסורתיים שלך שנמעכים כאשר הם דחוסים או מתארכים כאשר נמתחים.

במקום זאת, חומרים אקסטיים מציגים התכווצות לרוחב תחת דחיסה. מאפיין זה הופך אותם לאידיאליים לשימוש ביישומים שבהם יש צורך לספוג ולהפיץ אנרגיית השפעה בצורה יעילה. יש לציין כי ישנן גרסאות טבעיות של חומרים אקסטיים כמו גידי השרירים שלך, ודוגמאות מעשה ידי אדם, כמו תומכי לב שחייבים להתאים את עצמם לדרישות הלחץ בכלי הדם.

האבולוציה של עיצובים אוקסטיים

במהלך השנים, הושקעו הרבה מו"פ לפיתוח החומרים האקסטיים היעילים ביותר. חלק מהעיצובים הנוכחיים כוללים מבנים כיראליים, חלות דבש בצורת כוכבים, מבני גוף קשיחים מסתובבים, אוקסטיקה מרובת חומרים וחלות דבש חוזרות. מבין האפשרויות הללו, חלות דבש משושה החוזרות הן הבולטות ביותר.

חלת הדבש המשושה הנכנסת מחדש: גישה מסורתית

עיצוב חלת הדבש המשושה שנכנס מחדש היה בהשראת ביולוגית מחלות הדבש שנמצאו בכוורות. הוא פותח בשנת 1982 וכולל צלעות אלכסוניות הנעות פנימה תחת דחיסה, מה שמקשיח את העיצוב.

מאז, העיצוב שופר עם תמוכות נוספות שנוספו לשיפור הביצועים. עם זאת, יש עדיין חסרונות רבים לפריסת חלת הדבש מבחינת גמישות, עלויות ייצור וביצועים כלליים.

קידום מבני סריג: מחקר BLS

מתוך הכרה במגבלות בתחום מתפתח זה, צוות חוקרים מאוניברסיטת RMIT פיתח עיצוב אוקסטי קנייני שיכול להתעלות על קודמיו בכל רחבי הלוח. הדו"ח"התנהגות אוקסטית ומאפייני ספיגת אנרגיה של מבנה סריג בהשראת ספוג ים עמוק"¹ שפורסם ב-Composite Structures מדגיש כיצד העיצוב החדש נוצר בהשראת מבנה השלד של ספוג עמוק ומסוגל לעלות על חלות דבש משושה שנכנסות מחדש פי 13.

סל הפרחים של ונוס: שרטוט הטבע

לספוג הים העמוק Euplectella Aspergillum, הנקרא ביחד סל הפרחים של ונוס, הוא בעל אחד ממבני השלד העמידים והייחודיים ביותר בכל הטבע. הספוג כולל מבנה שלד דמוי רשת המורכב מאלמנטים זכוכיתיים הנקראים ספיקולים היוצרים רשת מרובעת.

מקור – מרכז RMIT למבנים וחומרים חדשניים

הרשת מחוזקת על ידי תמוכות סריג כפולות המעניקות למבנה מראה של לוח שחמט עם ריבועים לסירוגין. תאים פתוחים וסגורים אלו מספקים לבעל החיים תכונות מכניות ייחודיות לרבות קשיחות ללא תחרות וספיגת אנרגיה בעלת ביצועים גבוהים.

בניית מודל תלת מימד של מבנה הסריג בהשראת ביו

המהנדסים בנו מודל תלת מימדי כדי להדגים את התגליות שלהם ולבדוק את התיאוריות שלהם. מבנה הסריג הקובי התלת-ממדי שלהם הודפס מפוליאוריתן תרמופלסטי. הוא כלל תשעה תאים מרובעים המסודרים ברשת של 3×3. הצוות ציין כי לבדו, כל סריג הפגין התנהגות דפורמציה. עם זאת, בשילוב החומר הפגין פעולות אוזטיות.

הדמיות חישוביות: חידוד עיצוב ה-BLS

השלב הבא היה להשתמש בנתונים מהבדיקה כדי ליצור הדמיות ממוחשבות. תמרון זה מאפשר למהנדסים לשפר את קצב הבדיקות שלהם ולנסות צורות ועיצובים אקזוטיים יותר לאורך בדיקות נוספות. הם השתמשו בסימולציות כדי להעריך את ההשפעה של וריאציות גיאומטריות.

תועדו הנתונים של כל חומר כולל ההתנהגות האאוקטית שלו, קשיחותו ויכולות ספיגת האנרגיה. בנוסף, הצוות סקר את ההשפעה של פרמטרים מבניים כמו הסידור והעובי של הסורגים הלא-אלכסוניים והדו-אלכסוניים. לאחר מכן, הצוות כוונן את המרווח בין הפסים האלכסוניים הכפולים והמרווחים כדי להשיג ביצועים אופטימליים.

בדיקת BLS: אימות ניסיוני

החוקרים בדקו את עיצוב הסריג החדש שלהם בדרכים שונות. באופן ספציפי, בודק אוניברסלי Shimadzu AGS-50kNXD שימש לביצוע מבחני דחיסה חד-ציריים קוואזי-סטטיים ביחידות BLS-33 ו-CAS המודפסות ב-0D. המהנדסים תיעדו באופן שיטתי את כל היבטי הליבה של החומר כולל התנהגות אוקסטית, קשיחות ותכונות ספיגת אנרגיה.

תוצאות מבחן מרשימות

הבדיקות הניבו כמה תוצאות מרשימות. לטענת המהנדסים, ה-BLS התגבר על אפשרויות משושה של כניסות חוזרות בכל רחבי הלוח. מבחינת דחיסה, הוא גבר על העיצוב המקורי ב-13%. בנוסף, הוא ספג 10% יותר אנרגיה בטווח מתח גדול ב-60%.

ה-BLS הראה כמעט כפול מהנוקשות של עיצובי צינורות מסורתיים. כמו כן, tt היה חזק פי 3 והראה קשיחות פי 4 בהשוואה לקודמיו של חלת הדבש שנכנסו מחדש. ביצועים מכניים משופרים מגיעים מעיצוב קל יותר המנצל הרבה פחות חומר מאשר חלופות.

היתרונות העיקריים של מבנה הסריג בהשראת ביו

ישנם יתרונות רבים שהופכים את תגלית BLS ראויה לציון. ראשית, הוא מספק למהנדסים רמה חדשה של חוזק לחיצה וקשיחות המאפשרת יצירת פריטים עמידים יותר. מבתים ועד מכוניות, עיצוב קל יותר זה יכול לשפר את הקשיחות של פריטים נפוצים רבים שבהם אתה משתמש מדי יום, כמו גם כמה מהפרויקטים המהונדסים ביותר כיום.

תפקידה של הדפסת תלת מימד בייצור BLS

יתרון מרכזי נוסף של עיצוב זה הוא שניתן להדפיס אותו בתלת מימד. גישה זו מאפשרת למהנדסים להתאים אישית את הפריסה כך שתעמוד כמעט בכל דרישות היישום. כמו כן, הוא מספק הזדמנות להתנסות בחומרים אחרים בצורה מבוקרת וקלה לשילוב, מה שמניע יותר חדשנות.

יישומים פוטנציאליים בעולם האמיתי של BLS

חומר בעל השראה ביולוגית זה יכול להוביל לפיתוח של מבנים חזקים ועמידים יותר בתעשיות כמו תעופה וחלל, רכב והנדסה אזרחית. כל המגזרים הללו נמצאים בחיפוש מתמיד אחר חומרים קלים יותר, קלים יותר לעבודה ומפגינים יותר חוזק ונוקשות.

כעת, צוות חוקרים חדשני זה מבקש להוות השראה לסוג חדש של חומרים אוקסטיים, המציעים תכונות מכניות מעולות כגון ספיגת אנרגיה משופרת וקשיחות מבנית.

יישומים הנדסיים: מה בא אחר כך?

אנליסטים רבים צופים שיישומים עשויים להופיע בתוך 5 עד 10 השנים הבאות, בהמתנה למחקר ופיתוח נוספים. הנה רק חלק מהיישומים הפוטנציאליים של טכנולוגיה זו.

בניה

לדברי המהנדסים, תחום הבנייה יהיה המוקד העיקרי שלהם. חומרי בניין ובנייה הם יקרים עם עלייה חדה במחירים בשנים האחרונות. התפתחות זו עשויה לחולל מהפכה במגזר זה במגוון דרכים.

ראשית, זה יאפשר לבונים ליצור מבנים חזקים יותר המנצלים פחות חומר. תחשוב על הסריג הזה שמחליף את מסגרת הפלדה בבית שלך או את הקורות בבניין. פריסת לוח השחמט הפתוח והסגור והחומר מציעים התנהגות אוקסטית תחת דחיסה ממבנה קל משקל.

בנוסף, אדריכלים ומהנדסים יכולים ליצור מבנים שיכולים להיות עמידים יותר. דמיינו לעצמכם גורד שחקים שנועד להפחית רעידות במהלך רעידת אדמה או להתקשות בצורה מסוימת כשהרוח דוחפת אותו. בדרך זו, BLS יכול לשפר את יכולות הנדסת המבנים ברחבי השוק.

ציוד מגן

תחום עניין נוסף עבור BLS הוא בתעשיית ציוד המגן. חומר זה יהפוך את ציוד המגן הנלבש לקל יותר וגמיש יותר. עיצוב הסריג יבטיח שהציוד הקל יחזיק מעמד בתנאים וההשפעות הקשות ביותר, ויפתח את הדלת לרמה חדשה של בטיחות ברבים מענפי הספורט המסוכנים ביותר של ימינו.

צבא

ישנם מספר יישומים צבאיים עבור חומר זה. תארו לעצמכם את הדור הבא של אפודים קלי משקל ודקים במיוחד. מהנדסים יכלו ליצור פריטים כמו גשרים זמניים בקלות רבה יותר, ולשפר גם את ההרכבה וגם את ההובלה שלהם. בנוסף, זה יכול למלא תפקיד ביצירת כלי רכב מהדור הבא וציוד אחר הדורשים קשיחות משודרגת אך חייבים לעמוד באילוצי משקל הדוקים.

חשבו על מל"טים שיכולים לעוף רחוק יותר ולספוג יותר נזק, או קסדות שיכולות לעמוד בפני פגיעות ישירות מקליבר גבוה מבלי להתנפץ. כל זה ועוד אפשרי על ידי שימוש בטכנולוגיית BLS.

יישומים רפואיים

התחום הרפואי יכול להשתמש בטכנולוגיה זו כדי לשפר מספר הליכים שונים. לדוגמה, שתלים שנועדו לשמור על עורקים פתוחים צריכים להיות מסוגלים להסתגל תחת לחץ קיצוני ולהחזיק מעמד מבלי להידרדר במשך שנים. עיצוב הסריג החדש מספק יותר עמידות ונוקשות בעת הצורך, מונע מהעורקים להיסגר ומציל חיים.

כלי רכב

ישנן הרבה דרכים שונות שבהן טכנולוגיה זו יכולה להפוך את הרכב הבא שלך לבטוח ויעיל יותר. ראשית, עיצוב הצינור המעודכן יכול להחליף את מסגרת הפלדה שנמצאת כיום בשימוש על ידי יצרנים רבים. עיצוב חדש זה יפחית את עלויות הייצור וישפר חוזק ועמידות.

בנוסף, ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו כדי להפוך את הנסיעה שלך להרבה יותר חלקה. דמיין זעזועים ומבנים אחרים לבלימת רעידות שנוצרו עם חומרים אלה. עיצובים אלה יכולים לספק יותר נוחות מבלי להוסיף למשקל הכולל של EV הבא שלך.

חוקרי מבנה סריג (BLS) בהשראת ביו

המרכז של RMIT למבנים וחומרים חדשניים הוביל את המחקר שכלל את ג'יאמינג מא, הונגרו ג'אנג, טינג-אוי לי, הונגג'יה לו, יי מין שי, ו-נגוק סן הא כחוקרים. כעת, הצוות הזה מתכנן להתעמק בשימוש בחומרים אחרים כגון פלדה כדי לבדוק את יצירתם.

הצוות גם הביע עניין בשימוש בשילוב של חומרים על סמך התכונות הייחודיות שלהם כדי לנסות לשפר את הביצועים עוד יותר. ניסויים אלה יכללו את הכנת הקורות והריבועים מחומרים שונים שיכולים לקיים אינטראקציה.

השקעה במגזר מדעי החומר

למגזר מדעי החומר יש כמה יצרנים מובילים שממשיכים לדחוף את הטכנולוגיה לגבהים חדשים. הפיתוח האחרון הזה מדגים את הקצב שבו מתרחשת החדשנות בשוק. הנה חברה חדשנית אחת שממוקמת היטב לשלב כל פריצת דרך במדעי החומר כדי לשפר את החזר ה-ROI שלה ואת קו המוצרים שלה.

Hexcel תאגיד

Hexcel תאגיד (HXL -1.23%) נכנס לשירות בשנת 1948 והוא מבוסס מקונטיקט. יצרן זה, שבסיסו בארה"ב, מתמחה בחומרים בעיצוב חלת דבש. מאז הקמתה, Hexcel זכה להצלחה רבה.

מעניין לציין שאחד החוזים הממשלתיים הגדולים הראשונים של החברה היה פיתוח חומרי חלת דבש מהעידן החדש לשימוש בכיפות מכ"ם במטוסים צבאיים למלחמת העולם השנייה. לאחר תום המלחמה, החברה רכשה את California Reinforced Plastics ו-Ciba Composites.

בשנת 1995 היא רכשה את חטיבת מוצרי הרקולס מרוכבים. כיום היא מוכרת כחדשנית מובילה בתחום חומרים מרוכבים מתקדמים ליישומים תעופה וחלל ותעשייתיים. החברה המפורסמת עזרה לתכנן ולייצר את כלי השיט של אפולו 11 בשנת 1968.

Hexcel מחזיקה במספר פטנטים על המחקר שלה וממשיכה להזרים מימון לפיתוח חומרים מהדור הבא המשפרים את השלמות המבנית, מפחיתים משקל ומציעים אפשרויות ייצור קלות יותר.

נכון לעכשיו, ל-Hexcel 5894 עובדים והכנסותיה רשמו 1.90 מיליארד דולר בשנת 2024. המניה שלה נחשבת ל"קנייה" חזקה על ידי רוב האנליסטים, שכן החברה ממשיכה להבטיח חוזים ממשלתיים ותמיכה בטכנולוגיות הדור הבא. גורמים אלו, יחד עם ההיסטוריה והמיצוב של החברה הופכים את HXL לתוספת חכמה לכל תיק.

האחרון ב-Hexcel Corp.

העתיד של מבני סריג בהשראת ביו

כאשר אתה בוחן את התועלת שמביאים מבני סריג בהשראת ביו לשוק., קל לראות שהם ימלאו יום אחד תפקיד חיוני בהפיכת האלקטרוניקה לקלה יותר, ציוד מגן בטוח יותר, והרכב העתידי שלך לקשוח יותר.

בנוסף, התקדמות בהדפסת תלת מימד תקל על המהנדסים לדגמן וליצור מבנים וחומרים אוקסטיים בעלי ביצועים גבוהים במיוחד. לעת עתה, מגיע לצוות הזה קרדיט על כך ששפך אור על האופן שבו חומרים אקסטית עובדים וכיצד האבולוציה סייעה לשפר את העיצוב שלהם.

למד על פריצות דרך אחרות במדעי החומר עַכשָׁיו.

מחקרים שהוזכרו:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). התנהגות אוקסטית וספיגת אנרגיה של מבנה סריג. מבנים מרוכבים, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}