Stel je een toekomst voor waarin gebouwen mijlenver boven de straten beneden uitsteken, toeristen maken dagtochten naar de rand van onze atmosfeer, en er zijn meerdere ruimtestations te zien die langs de nachtelijke hemel drijven. Om deze sci-fi-visie werkelijkheid te laten worden, we zullen nieuwe soorten constructies moeten creëren die lichtgewicht maar toch sterk en taai zijn.

Een traditionele benadering van dit ontwerpproces zou het creëren van nieuwe materialen, zoals superlegeringen – metalen die uitzonderlijk sterk zijn en bestand tegen extreme temperaturen. Deze geavanceerde materialen hebben ons in staat gesteld sneller te vliegen dan de snelheid van het geluid en rovers naar Mars te sturen.

Echter, we kunnen niet simpelweg nieuwe chemische elementen "uitvinden", en er zijn maar een eindig aantal manieren om de manieren die we al hebben te mixen en matchen. We moeten daarom nieuwe manieren leren om de momenteel beschikbare materialen zo te rangschikken dat de resulterende structuren sterker en taaier zijn dan de materialen zelf.

Dankbaar, de natuur worstelt al honderden miljoenen jaren met hetzelfde probleem. In tegenstelling tot ingenieurs, echter, de natuur bedenkt geen nieuwe regelingen, of "mechanische ontwerpen, " met behulp van vergelijkingen en computeralgoritmen. het produceert veel verschillende ontwerpen door evolutionaire mechanismen, zoals genetische mutatie. Vervolgens, door natuurlijke selectie, organismen met betere ontwerpen overleven vaak degenen met slechtere ontwerpen en geven de blauwdrukken van die ontwerpen door aan hun nakomelingen door genetische overerving.

Dit evolutionaire proces kan uiterst efficiënte mechanische ontwerpen opleveren die vaak in niets lijken op die welke in de technische wereld worden gebruikt. Bijvoorbeeld, Ik bestudeer sponzen die op de bodem van de oceaan leven om nieuwe manieren te leren om sterkere balken te maken - de structuren die alles dragen, van onze huizen tot de frames van onze auto's en de bruggen waar we overheen rijden.

De wetenschap achter bio-geïnspireerde techniek

Bio-geïnspireerde engineering is een hot topic geworden in de wetenschappelijke wereld. Het doel is om eerst te begrijpen hoe het mechanische ontwerp van een biologische structuur de prestaties verbetert, en vervolgens de natuurkundige principes toe te passen die aan dat ontwerp ten grondslag liggen om nieuwe door mensen gemaakte structuren te creëren.

Bijvoorbeeld, de harde schelpen van kokkels en oesters zijn gemaakt van aragoniet, een bros mineraal dat het hoofdbestanddeel is van kalksteen. Clamshells zijn taai omdat dit mineraal niet willekeurig in elkaar zit, maar is eerder gerangschikt in een patroon dat eruitziet als een microscopisch kleine bakstenen muur. De raakvlakken tussen de stenen in deze muur voorkomen dat scheuren in een recht pad door de schaal groeien.

Het simpelweg kopiëren en plakken van dit ontwerp om een ​​nieuwe door mensen gemaakte structuur te creëren, zou ons niet noodzakelijkerwijs een structuur geven met dezelfde taaiheid als de schaal. Liever, bio-geïnspireerde engineering is een proces dat uit meerdere stappen bestaat.

Eerst, we identificeren de functie van een natuurlijke structuur. Bijvoorbeeld, de schaal beschermt de mossel tegen roofdieren. Volgende, we kwantificeren hoe het ontwerp van die structuur de prestaties van die functie beïnvloedt - in dit geval hoe sterk en taai de schelp is vergeleken met aragoniet zelf. Eindelijk, we willen de relatie tussen design en prestatie uitleggen. Voor de mosselschelp, dit zou betekenen dat er een vergelijking moet worden afgeleid die parameters zoals de beeldverhouding van de microscopische "stenen" erin relateert aan de taaiheid van de schaal.

Wat maakt sponzen zo sterk?

In tegenstelling tot een zachte, squishy keukenspons, de zeespons die ik bestudeer, Euplectella aspergillum , is stijf en sterk. Het heeft een verbazingwekkend complex skelet dat bestaat uit een ingewikkeld samenstel van vezels, bekend als kruiden, niet groter dan een mensenhaar. Hun structurele functie lijkt veel op die van de duizenden balken waaruit de Eiffeltoren bestaat.

De spicules van de spons zijn ongebruikelijk omdat ze bijna volledig van glas zijn gemaakt! Hoewel we glas doorgaans zien als een zwak en broos materiaal, de kruiden zijn ongelooflijk sterk en veerkrachtig. Dit contrast motiveerde me oorspronkelijk om na te denken over wat de spicules zo sterk maakt - en hoe ze ons kunnen leren om sterkere stralen te maken.

Lagen leiden tot kracht

Mijn onderzoek richt zich op een gespecialiseerde groep van spicules die als wortels fungeren om de spons te verankeren aan het zachte sediment van de oceaanbodem. Door stevig aan de oceaanbodem vast te blijven zitten, kan de spons water door zijn lichaam pompen en micro-organismen filteren om te eten.

Zoals de schelp van de schelp, de ankerpunten hebben ook een microscopisch mechanisch ontwerp. Als je er een opensnijdt, je zult zien dat het glas van de spicule is gerangschikt in concentrische lagen die veel op boomringen lijken. Het is mogelijk dat dit mechanische ontwerp ervoor zorgt dat de ankerpunten meer buigen voordat ze breken, en maakt daardoor de aanhechting van de spons robuuster.

Ik heb dit idee onderzocht door te meten hoeveel de ankerpunten kunnen buigen voordat ze breken, en ze te vergelijken met spicules van een andere spons die dezelfde chemische samenstelling hebben maar geen lagen hebben. De resultaten van dit experiment laten zien dat E. aspergillum spicules kunnen ongeveer 2,4 keer meer buigen dan de spicules zonder lagen.

Het geheim van sterkere structuren ontsluiten

De volgende stap in mijn onderzoek is om te begrijpen waarom het eenvoudig rangschikken van het glas in concentrische lagen zo'n groot effect heeft op de buigsterkte. Het plan is om vergelijkingen af ​​te leiden die de sterkte van een balk kunnen voorspellen met een bepaald aantal concentrische lagen en laagdiktes - de derde stap van het bio-geïnspireerde engineeringproces. Als mijn vergelijkingen kloppen, ze zouden de krachtverbetering die ik heb gemeten nauwkeurig moeten kunnen voorspellen.

Een paar jaar geleden maakte ik deel uit van een team dat een theoretisch model ontwikkelde om dit soort voorspellingen te doen. Echter, de vergelijkingen die deel uitmaken van dit model voorspellen dat de lagen de buigsterkte van de spicule slechts met maximaal 33 procent zouden moeten verhogen - een verre schreeuw van de 140 procent toename die ik onlangs in de werkelijke spicules heb gemeten. Dit verschil suggereert dat er iets ontbreekt in ons model, en dat we terug moeten gaan en deze vergelijkingen moeten herzien.

Zodra we een nauwkeurig model hebben, we kunnen de vergelijkingen gebruiken om spicule-achtig te ontwerpen, gelaagde balken die veel sterker zijn dan de huidige state-of-the-art constructies. Deze gelaagde balken zouden uiteindelijk kunnen worden gebruikt om raketten te maken, vliegtuigen, en ruimtehabitats die aanzienlijk lichter zijn, en dus efficiënter, dan degene die we tegenwoordig gebruiken. Op een manier, ontwerpgeheimen van de bodem van de oceaan kunnen ons uiteindelijk helpen nieuwe werelden te verkennen.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.