المحاكاة الحيوية
سبونج البحر العميق يلهم هيكلاً شبكياً خارق القوة للهندسة
استخدم فريق من المهندسين من مركز RMIT للstructures والمواد المبتكرة تقنية التقليد الحيوي لتصميم هيكل شبكي خارق القوة يوفر أداءً محسناً مقارنة بالخيارات التقليدية المعتمدة على النحلة.
استلهم التصميم من إسفنجة البحر العميق، سلة زهور فينوس، ويستفيد من ملايين السنين من التطور لتحسين الخصائص الميكانيكية مثل الخصائص Auxetic والجساءة وامتصاص الطاقة. هنا كيف يمكن لهذا الهيكل الشبكي الخارق القوة أن يكون مفتاح فتح الأبنية والعمليات الطبية والمزيد.
فهم المواد Auxetic
لمعرفة أهمية هذا التطور، من المهم فهم الدور الحاسم الذي تلعبه المواد Auxetic في التطبيقات الطبيعية والصناعية. تختلف هذه المواد عن المواد التقليدية التي تُضغط أو تتمدد عند التمدد.
بدلاً من ذلك، تظهر المواد Auxetic انكماشاً جانبياً عند الضغط. هذه الخاصية تجعلها مثالية للاستخدام في التطبيقات التي تتطلب امتصاص و توزيع الطاقة الفعالة. ومن الملاحظ أن هناك نسخة طبيعية من المواد Auxetic مثل أوتار العضلات، وأمثلة من صنع الإنسان، مثل دعامات القلب التي يجب أن تتكيف مع متطلبات ضغط الأوعية الدموية.
تطور التصاميم Auxetic
على مر السنين، تم إجراء الكثير من الأبحاث والتطوير لتحسين المواد Auxetic الأكثر فعالية. تشمل بعض التصاميم الحالية الهياكل الحلزونية، والنحلة الشبكية النجمية، والهياكل الصلبة الدوارة، والمركبات المتعددة، والنحلة الشبكية المتكررة. من بين هذه الخيارات، تعتبر النحلة الشبكية السداسية المتكررة هي الأبرز.
النحلة الشبكية السداسية المتكررة: نهج تقليدي
تم تصميم النحلة الشبكية السداسية المتكررة بالاستلهام من خلايا النحل في الخلايا. تم تطويرها في عام 1982 وتتميز bằng أضلاع قطرية تنتقل إلى الداخل عند الضغط، مما يزيد من جساءة التصميم.
منذ ذلك الحين، تم تحسين التصميم بإضافة أضلاع إضافية لتحسين الأداء. ومع ذلك، لا تزال هناك العديد من العيوب في تخطيط النحلة الشبكية من حيث المرونة وتكلفة الإنتاج والأداء العام.
تطوير الهياكل الشبكية: دراسة BLS
معترفين بالقيود في هذا المجال الناشئ، قام فريق من الباحثين في جامعة RMIT بتطوير تصميم auxetic ملكي يمكن أن يتفوق على سابقيها في جميع الجوانب. يبرز التقرير “سلوك Auxetic وخصائص امتصاص الطاقة لهيكل شبكي مستوحى من إسفنجة البحر العميق“1 المنشور في هياكل مركبة كيف تم تصميم الهيكل الجديد بالاستلهام من الهيكل العظمي لإسفنجة بحرية عميقة وقادر على تفوق النحلة الشبكية السداسية المتكررة بمرة 13.
سلة زهور فينوس: خطة الطبيعة
تتميز الإسفنجة البحرية العميقة Euplectella Aspergillum، التي يطلق عليها اسم سلة زهور فينوس، بأحد أكثر الهياكل العظمية متانة وفريدة في الطبيعة. تتميز الإسفنجة بهيكل شبكي عظمي يتكون من عناصر زجاجية تسمى Spicules التي تشكل شبكة مربعة.
Source – RMIT Centre for Innovative Structures and Materials
تتم تعزيز الشبكة بأضلاع شبكية مزدوجة تعطي الهيكل مظهر шахматي مع مربعات بديلة ممتلئة. توفر الخلايا المفتوحة والمغلقة للحيوان خصائص ميكانيكية فريدة بما في ذلك جساءة غير مسبوقة وامتصاص طاقة عالي الأداء.
بناء نموذج ثلاثي الأبعاد للهيكل الشبكي الملهم حيويًا
قام المهندسون ببناء نموذج ثلاثي الأبعاد لتوضيح اكتشافاتهم واختبار نظرياتهم. تم印 نموذجهم ثلاثي الأبعاد من البولي يوريثان الحراري. يتكون من تسع خلايا مربعة متصرفة في شبكة 3 × 3. لاحظ الفريق بحرص أن كل شبكة تظهر سلوك انحناء عند الضغط. ومع ذلك، عندما يتم الجمع بينها، تعرض المادة إجراءات auxetic.
محاكاة حاسوبية: تحسين تصميم BLS
كان الخطوة التالية استخدام البيانات من الاختبار لإنشاء محاكاة حاسوبية. هذا المناورة يسمح للمهندسين بتحسين معدل الاختبار ومحاولة أشكال وأشكال أكثر غموضًا عبر المزيد من الاختبارات. استخدموا محاكاة لتقدير تأثير الاختلافات الهندسية.
تم توثيق بيانات كل مادة بما في ذلك سلوكها Auxetic، وجساءة، وخصائص امتصاص الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، راجعت الفريق تأثير المعلمات الهيكلية مثل ترتيب وسماكة الأضلاع غير القطرية والأضلاع القطرية المزدوجة. ثم قام الفريق بتعديل المسافة بين الأضلاع القطرية المزدوجة والمسافة لتحقيق الأداء الأمثل.
اختبار BLS: التحقق التجريبي
قام الباحثون باختبار تصميم الشبكة الجديد بطرق مختلفة. على وجه الخصوص، تم استخدام جهاز Shimadzu AGS-50kNXD الشامل لاختبار الانضغاط غير السريع على الوحدات 33D-مطبوعة BLS-0 و CAS. وثق المهندسون بشكل منهجي جميع الجوانب الأساسية للمادة بما في ذلك سلوكها Auxetic، وجساءة، وخصائص امتصاص الطاقة.
نتائج اختبار مثيرة
أنتجت الاختبارات بعض النتائج المثيرة. وفقًا للمهندسين، تفوقت BLS على خيارات النحلة الشبكية السداسية المتكررة في جميع الجوانب. فيما يتعلق بالانضغاط، تفوقت على التصميم الأصلي بنسبة 13٪. بالإضافة إلى ذلك، امتصت 10٪ أكثر من الطاقة عبر نطاق انفجار أكبر بنسبة 60٪.
أظهرت BLS جساءة تقريبًا ضعف جساءة التصاميم الأنبوبية التقليدية. كما كانت 3 أضعاف قوة و 4 أضعاف متانة عند مقارنتها بسابقاتها من النحلة الشبكية المتكررة. يأتي هذا الأداء الميكانيكي المحسن من تصميم أخف يستخدم مواد أقل من البديل.
الفوائد الرئيسية للهيكل الشبكي الملهم حيويًا
هناك العديد من الفوائد التي تجعل اكتشاف BLS جديرًا بالذكر. لأنه يوفر للمهندسين مستوى جديد من القوة الانضغاطية والجساءة يسمح بإنشاء عناصر أكثر متانة. من المنازل إلى السيارات، يمكن أن يعزز هذا التصميم الأخف متانة العديد من العناصر الشائعة التي تستخدمها يوميًا، بالإضافة إلى بعض المشاريع الهندسية الأكثر تطورًا اليوم.
دور الطباعة ثلاثية الأبعاد في تصنيع BLS
فائدة أخرى كبيرة من هذا التصميم هي أنه يمكن印 بطريقة ثلاثية الأبعاد. هذا النهج يسمح للمهندسين بتعديل التخطيط لاستيفاء متطلبات التطبيق تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك، يوفر فرصة لتجربة مواد أخرى بطريقة سهلة ومتكاملة، مما يدفع المزيد من الابتكار.
التطبيقات المحتملة للعالم الحقيقي من BLS
يمكن أن يؤدي هذا المادة الملهم حيويًا إلى تطوير هياكل أكثر متانة في صناعات مثل الطيران والسيارات والهندسة المدنية. جميع هذه القطاعات في حالة بحث دائمة عن مواد أخف وأسهل في العمل وأكثر قوة وجساءة.
الآن، يطمح فريق من الباحثين المبتكرين إلى إلهام فئة جديدة من المواد Auxetic، مع تقديم خصائص ميكانيكية متقدمة مثل امتصاص الطاقة المحسن وجساءة الهيكل.
التطبيقات الهندسية: ماذا يأتي بعد ذلك؟
يتوقع العديد من المحللين أن تظهر التطبيقات في غضون 5 إلى 10 سنوات القادمة، مع استمرار البحث والتطوير. هنا بعض التطبيقات المحتملة لهذه التكنولوجيا.
البناء
وفقًا للمهندسين، سيكون قطاع البناء هو التركيز الرئيسي. المواد والبناء باهظة الثمن مع أسعار تتزايد بشكل حاد خلال السنوات القليلة الماضية. يمكن أن يثور هذا التطور قطاع البناء بطرق مختلفة.
على سبيل المثال، سيكون من الممكن للمباني إنشاء هياكل أقوى تستخدم مواد أقل. فكر في استبدال هذا الهيكل الشبكي.by الإطار الفولادي في منزلك أو العوارض في المبنى. يوفر التخطيط الشبكي المفتوح والمغلق والمادة سلوكًا auxetic عند الضغط من هيكل أخف.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن للمهندسين والمعماريين إنشاء مباني أكثر متانة. تخيل ناطحة سحاب يمكنها تقليل الاهتزازات أثناء الزلازل أو تصلب بطريقة معينة عند ضغط الرياح عليها. بهذه الطريقة، يمكن لـ BLS تعزيز قدرات الهندسة الهيكلية في السوق.
معدات الحماية
منطقة أخرى من اهتمام BLS هي صناعة معدات الحماية. سوف تجعل هذه المادة معدات الحماية الشخصية أخف وأكثر متانة. سيضمن تصميم الشبكة أن تتمكن المعدات الخفيفة من الصمود في ظل الظروف والأثر القاسية، مما يفتح بابًا لمرة جديدة من السلامة في العديد من الرياضات الخطيرة اليوم.
العسكرية
هناك العديد من التطبيقات العسكرية لهذه المادة. تخيل السترات الواقية من الرصاص الخفيفة والرقيقة التالية. يمكن للمهندسين إنشاء عناصر مثل الجسور المؤقتة بسهولة أكبر، مما يحسن من تجميعها ونقلها. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تلعب دورًا في إنشاء مركبات وأجهزة متقدمة تتطلب جساءة محسنة ولكن يجب أن تتوافق مع قيود الوزن الصارمة.
فكر في الطائرات بدون طيار التي يمكنها الطيران إلى مسافات أبعد وتحمل المزيد من الضرر، أو الخوذات التي يمكنها تحمل ضربات مباشرة من عيارات كبيرة دون تحطيمها. كل هذا والمزيد ممكن باستخدام تكنولوجيا BLS.
التطبيقات الطبية
يمكن أن تستفيد مجال الطب من هذه التكنولوجيا لتحسين إجراءات مختلفة. على سبيل المثال، يجب على الغرسات المصممة لفتح الشرايين أن تكون قادرة على التكيف مع ضغط شديد وطويل الأمد دون تدهور لسنوات.
يوفر التصميم الشبكي الجديد المزيد من المتانة والجساءة عند الحاجة، مما يمنع الشرايين من الإغلاق وينقذ الأرواح.
السيارات
هناك العديد من الطرق التي يمكن أن تجعل هذه التكنولوجيا سيارتك أكثر أمانًا وفعاليًا. على سبيل المثال، يمكن أن ي replaced التصميم الأنبوبي المتحسن الإطار الفولادي الحالي المستخدم من قبل العديد من المصنعين. سوف يقلل هذا التصميم الجديد من تكاليف التصنيع ويعزز القوة والمتانة.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تجعل هذه التكنولوجيا رحلتك أكثر سلاسة. تخيل الصدمات والهياكل الأخرى المخففة للاهتزازات التي تم إنشاؤها باستخدام هذه المواد. يمكن أن توفر هذه التصاميم المزيد من الراحة دون إضافة الوزن الإجمالي لسيارتك الكهربائية التالية.
باحثو الهيكل الشبكي الملهم حيويًا (BLS)
قاد مركز RMIT للstructures والمواد المبتكرة الدراسة التي شملت Jiaming Ma و Hongru Zhang و Ting-Uei Lee و Hongjia Lu و Yi Min Xie و Ngoc San Ha كباحثين. الآن، يخطط هذا الفريق للغوص في استخدام مواد أخرى مثل الفولاذ لاختبار ابتكاره.
أعرب الفريق أيضًا عن اهتمامه باستخدام مزيج من المواد بناءً على خصائصها الفريدة لمحاولة تحسين الأداء بشكل أكبر. ستشمل هذه التجارب صنع العوارض والمربعات من مواد مختلفة يمكنها التفاعل.
استثمار قطاع العلوم المواد
يتمتع قطاع العلوم المواد بصناعين رائدين ي推دون التكنولوجيا إلى أرض جديدة. يظهر هذا التطور الأخير معدل الابتكار في السوق.
هنا شركة مبتكرة موضعة جيدًا لدمج أي اختراقات في العلوم المواد لتعزيز عوائدها وخط إنتاجها.
Hexcel Corporation
دخلت Hexcel Corporation الخدمة في عام 1948 ومقرها في كونيتيكت. تختص هذه الشركة المصنعة الأمريكية بتصميم المواد الشبكية.
من المثير للاهتمام أن أحد أوائل العقود الحكومية للشركة كان تطوير مواد شبكية عصرية للاستخدام في قبابات الرادار على الطائرات العسكرية في الحرب العالمية الثانية. بعد نهاية الحرب، استحوذت الشركة على شركة كاليفورنيا البلاستيكية المسلحة وشركة Ciba Composites.
في عام 1995، استحوذت على قسم Hercules Composites Products. اليوم، يتم التعرف عليها كمنشأة رائدة في مجال المواد المركبة المتقدمة للتطبيقات الفضائية والصناعية. ساعدت الشركة في تصميم وتصنيع مركبة إعادة الدخول Apollo 11 في عام 1968.
(HXL )
تملك Hexcel العديد من براءات الاختراع على أبحاثها وستواصل سكب التمويل في تطوير المواد الجيل التالي التي تعزز الصلابة وتخفف الوزن وتوفر خيارات تصنيع أسهل.
تملك Hexcel حاليًا 5894 موظفًا وأدرجت 1.90 مليار دولار في الإيرادات في عام 2024. يعتبر سهم الشركة شراء قويًا من قبل معظم المحللين حيث تواصل الشركة الحصول على عقود حكومية ودعم تقنيات الجيل التالي. هذه العوامل، إلى جانب تاريخ الشركة ووضعها، تجعل HXL إضافة ذكية إلى أي محفظة.
أحدث أخبار Hexcel Corp.
مستقبل الهياكل الشبكية الملهمة حيويًا
عندما تتحقق من الفوائد التي تجلبها الهياكل الشبكية الملهمة حيويًا إلى السوق، من السهل رؤية أنها ستلعب دورًا حيويًا في جعل الإلكترونيات أخف، ومعدات الحماية أكثر أمانًا، وسيارتك المستقبلية أكثر متانة.
بالإضافة إلى ذلك، ستجعل التطورات في الطباعة ثلاثية الأبعاد من السهل على المهندسين إنشاء هياكل شبكية فائقة الأداء وأشكال مواد. الآن، يستحق هذا الفريق الائتمان لتحديد كيف تعمل المواد Auxetic وكيف ساعد التطور في تحسين تصميمها.
تعلم عن اختراقات العلوم المواد الأخرى الآن.
الدراسات المشار إليها:
1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). سلوك Auxetic وخصائص امتصاص الطاقة لهيكل شبكي. هياكل مركبة، 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835
