Als we aan sponzen denken, we hebben de neiging om aan iets zachts en zachts te denken. Maar onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) gebruiken de glasachtige skeletten van zeesponzen als inspiratie voor de volgende generatie sterkere en hogere gebouwen. langere bruggen, en lichtere ruimtevaartuigen.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Natuurmaterialen , de onderzoekers toonden aan dat de diagonaal versterkte vierkante roosterachtige skeletstructuur van Euplectella aspergillum, een diepzee-zeespons, heeft een hogere sterkte-gewichtsverhouding dan de traditionele roosterontwerpen die al eeuwenlang worden gebruikt bij de constructie van gebouwen en bruggen.

"We ontdekten dat de diagonale versterkingsstrategie van de spons de hoogste knikweerstand bereikt voor een bepaalde hoeveelheid materiaal, wat betekent dat we sterkere en veerkrachtigere constructies kunnen bouwen door bestaand materiaal intelligent te herschikken binnen de constructie, " zei Matheus Fernandes, een afgestudeerde student aan SEAS en eerste auteur van het papier.

"Op veel terreinen zoals lucht- en ruimtevaarttechniek, de sterkte-gewichtsverhouding van een constructie is van cruciaal belang, " zei James Wever, een Senior Scientist bij SEAS en een van de corresponderende auteurs van het artikel. "Deze biologisch geïnspireerde geometrie zou een routekaart kunnen bieden voor het ontwerpen van lichtere, sterkere structuren voor een breed scala aan toepassingen."

Als je ooit door een overdekte brug bent gelopen of een metalen opbergplank in elkaar hebt gezet, je hebt diagonale roosterarchitecturen gezien. Dit type ontwerp gebruikt veel kleine, dicht bij elkaar geplaatste diagonale balken om de uitgeoefende belastingen gelijkmatig te verdelen. Deze geometrie werd begin 1800 gepatenteerd door de architect en civiel ingenieur, Ithiel-stad, die een methode wilde om stevige bruggen te maken van lichtgewicht en goedkope materialen.

"De stad ontwikkelde een eenvoudige, kosteneffectieve manier om vierkante roosterstructuren te stabiliseren, die tot op de dag van vandaag wordt gebruikt, "zei Fernandes. "Het klaart de klus, maar het is niet optimaal, wat leidt tot verspild of overbodig materiaal en een limiet voor hoe lang we kunnen bouwen. Een van de belangrijkste vragen achter dit onderzoek was:kunnen we deze structuren efficiënter maken vanuit het perspectief van materiaalallocatie, uiteindelijk minder materiaal gebruiken om dezelfde sterkte te bereiken?"

Gelukkig, de glazen sponzen, de groep waartoe Euplectella aspergillum - ook wel bekend als Venus' Flower Basket behoort - had een voorsprong van bijna een half miljard jaar op het gebied van onderzoek en ontwikkeling. Om zijn buisvormige lichaam te ondersteunen, Euplectella aspergillum maakt gebruik van twee sets parallelle diagonale skeletsteunen, die elkaar kruisen en zijn versmolten met een onderliggend vierkant raster, om een ​​robuust dambordachtig patroon te vormen.

"We bestuderen al meer dan 20 jaar structuur-functierelaties in sponsskeletsystemen, en deze soorten blijven ons verrassen, ' zei Wever.

In simulaties en experimenten, de onderzoekers repliceerden dit ontwerp en vergeleken de skeletarchitectuur van de spons met bestaande roostergeometrieën. Het sponsontwerp presteerde beter dan ze allemaal, bestand tegen zwaardere belastingen zonder te knikken. De onderzoekers toonden aan dat de gepaarde parallelle gekruiste diagonale structuur de algehele structurele sterkte met meer dan 20 procent verbeterde, zonder de noodzaak om extra materiaal toe te voegen om dit effect te bereiken.

"Ons onderzoek toont aan dat de lessen die zijn geleerd uit de studie van sponsskeletsystemen kunnen worden benut om structuren te bouwen die geometrisch zijn geoptimaliseerd om knikken te vertragen, met enorme implicaties voor verbeterd materiaalgebruik in moderne infrastructurele toepassingen, " zei Katia Bertoldi, de William en Ami Kuan Danoff Professor of Applied Mechanics bij SEAS en een corresponderende auteur van de studie.