De motivaties voor het gebruik van biologie als inspiratie voor engineering variëren op basis van het project, maar voor Ling Li, assistent-professor werktuigbouwkunde aan het College of Engineering, de combinatie van flexibiliteit en bescherming gezien in het chiton-weekdier was de motivatie die nodig was.

"Het systeem dat we hebben ontwikkeld is gebaseerd op de chiton, die een uniek biologisch pantsersysteem heeft, " zei Li. "De meeste weekdieren hebben een enkele stijve schaal, zoals de abalone, of twee schelpen, zoals mosselen.

Maar de chiton heeft acht gemineraliseerde platen die de bovenkant van het wezen bedekken en rond de basis heeft het een gordel van zeer kleine schubben die zijn samengesteld als vissenschubben, die zowel flexibiliteit als bescherming bieden."

Li's werk, die in het tijdschrift stond Natuurcommunicatie 10 december is het resultaat van een samenwerking met onderzoekers van verschillende instellingen, waaronder het Massachusetts Institute of Technology, het Dana-Farber Cancer Institute aan de Harvard Medical School, Staatsuniversiteit van Californië, Fullerton, het Max Planck Instituut voor Colloïden en Interfaces, Duitsland, en het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University.

Omdat het mechanische ontwerp van de gordelschubben van de chiton nog niet eerder grondig was bestudeerd, het team van onderzoekers moest beginnen met basismateriaal en mechanische analyse van het weekdier voordat het die informatie als bio-inspiratie voor het technische onderzoek kon gebruiken.

"We hebben dit biologische materiaal op een zeer gedetailleerde manier bestudeerd. We hebben de interne microstructuur gekwantificeerd, chemische samenstelling, nanomechanische eigenschappen, en driedimensionale geometrie. We bestudeerden de geometrische variaties van de schalen over meerdere chitonsoorten, en we hebben ook onderzocht hoe de schalen samenkomen door middel van 3D-tomografie-analyse, ' zei Li.

Het team ontwikkelde vervolgens een parametrische 3D-modelleringsmethodologie om de geometrie van individuele schalen na te bootsen. Ze assembleerden individuele schaaleenheden op vlakke of gebogen substraten, waar de maten van de weegschaal, oriëntaties, en geometrieën kunnen ook worden gevarieerd, en gebruikte 3D-printen om de bio-geïnspireerde schaalpantsermodellen te fabriceren.

"We hebben de op chitonschaal geïnspireerde schaalconstructie rechtstreeks geproduceerd met 3D-printen van meerdere materialen, die bestaat uit zeer stijve schubben bovenop een flexibele ondergrond, " legde Li uit. Met deze fysieke prototypen van gecontroleerde monstergeometrieën en -afmetingen, het team voerde er directe mechanische tests op uit onder gecontroleerde beladingstoestanden. Hierdoor konden de onderzoekers de mechanismen begrijpen achter de dubbele beschermings-flexibiliteit van het biologische pantsersysteem.

De manier waarop het schaalpantser werkt, is dat wanneer het in contact komt met een kracht, de schalen convergeren naar binnen op elkaar om een ​​stevige barrière te vormen. Wanneer niet onder dwang, ze kunnen op elkaar "bewegen" om verschillende hoeveelheden flexibiliteit te bieden, afhankelijk van hun vorm en plaatsing.

"De kracht komt van hoe de schalen zijn georganiseerd, van hun geometrie, " zei Li. "Reza's [Mirzaeifar, assistent-professor werktuigbouwkunde] team heeft geweldig werk geleverd door computationele modellering te gebruiken om verder te onthullen hoe het schaalpantser in elkaar grijpen en stijf wordt wanneer de externe belasting een kritieke waarde bereikt."

Het ontwerp van plaatsspecifieke bepantsering houdt rekening met de grootte van de gebruikte schalen. kleinere schalen, zoals die rond de gordel van de chiton, zijn nuttiger voor regio's die maximale flexibiliteit vereisen, terwijl grotere schalen worden gebruikt voor gebieden die meer bescherming vereisen. "Werken met Reza, onze volgende stap is om de ruimte uit te breiden, zodat we op maat gemaakte bepantsering kunnen ontwerpen voor verschillende lichaamslocaties.

De flexibiliteit versus beschermingsbehoeften van de borst, bijvoorbeeld, zal anders zijn dan voor de elleboog of knie, dus we zouden de schaalconstructie dienovereenkomstig moeten ontwerpen in termen van schaalgeometrie, maat, oriëntatie, enzovoort."

Het werk dat wordt gepresenteerd, begon met financiering van het ministerie van Defensie toen Li een afgestudeerde onderzoeksassistent was aan het Massachusetts Institute of Technology. Sinds hij in 2017 bij Virginia Tech aankwam, het werk is doorgegaan zonder sponsoring als onderdeel van zijn startfinanciering.

"We begonnen met een vrij pure motivatie - op zoek naar multifunctionele biologische materialen, " zei Li. "We wilden flexibiliteit en bescherming integreren en dat is heel moeilijk te bereiken met synthetische systemen. We zullen doorgaan met ons onderzoek om de ontwerpruimte buiten het oorspronkelijke biologische modelsysteem te verkennen en testen uit te voeren onder verschillende belastingsomstandigheden."

Li geeft het proces toe, die meerdere jaren heeft geduurd, is lang, maar het werk is uniek in de manier waarop ze het vanaf het begin hebben benaderd als een proces in twee stappen bij het uitvoeren van het fundamentele biologische materiaalonderzoek, gevolgd door het bio-geïnspireerde onderzoek.

"Dat niveau van bekendheid met het onderwerp is erg nuttig geweest voor het ontwerp en het modelleren van het pantser, "Zei Li. "Ik denk dat dit soort bio-geïnspireerde bepantsering een aanzienlijke verbetering zal betekenen ten opzichte van wat momenteel beschikbaar is."