Dybhavssvamp inspirerer superstærk gitterstruktur til ingeniørarbejde

Et hold af ingeniører fra RMIT’s Centre for Innovative Structures and Materials anvendte biomimik for at udvikle en superstærk gitterstruktur, der giver forbedret ydeevne sammenlignet med traditionelle honningkagebaserede muligheder.

Inspireret af dybhavssvampen, Venus’ blomsterkurv, udnytter designet millioner af års evolution til at optimere auxetisk opførsel, stivhed og energiabsorption. Sådan kan denne ultrastærke gitterstruktur være nøglen til at åbne op for næste generations bygninger, medicinske procedurer og meget mere.

Forståelse af auxetiske materialer

For at forstå vigtigheden af denne udvikling er det afgørende at forstå den centrale rolle, auxetiske materialer spiller i både naturlige og menneskeskabte anvendelser. Disse materialer adskiller sig fra traditionelle genstande, der bliver knust ved kompression eller forlænges ved træk.
I stedet udviser auxetiske materialer lateralkontraktion under kompression. Denne egenskab gør dem ideelle til anvendelser, hvor der er behov for effektiv absorption og fordeling af påvirkningsenergi. Bemærkelsesværdigt er der naturlige versioner af auxetiske materialer som muskeltendoner, og menneskeskabte eksempler som hjerte-stents, der skal tilpasse sig vaskulært tryk.

Evolutionen af auxetiske designs

Gennem årene er der blevet investeret meget i F&U for at udvikle de mest effektive auxetiske materialer. Nogle aktuelle designs omfatter chirale strukturer, stjerneformede honningkager, roterende stive legemer, multi-material auxetika og re-entrante honningkager. Af disse muligheder er re-entrante hexagonale honningkager de mest fremtrædende.

Den re-entrante hexagonale honningkage: En traditionel tilgang

Det re-entrante hexagonale honningkagedesign blev bioinspireret af honningkager fundet i bistader. Det blev udviklet i 1982 og har diagonale ribber, der skifter indad under kompression, hvilket forstærker designet.

Siden da er designet blevet forbedret med ekstra tværstivere for at øge ydeevnen. Der er dog stadig mange ulemper ved honningkageopstillingen med hensyn til fleksibilitet, produktionsomkostninger og samlet præstation.

Fremme af gitterstrukturer: BLS-studiet

Ved at erkende begrænsningerne i dette fremvoksende felt udviklede et team af forskere ved RMIT University et proprietært auxetisk design, der kan overgå sine forgængere på alle fronter. Rapporten “Auxetic behavior and energy absorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge“¹ offentliggjort i Composite Structures fremhæver, hvordan det nye design blev inspireret af den skeletstruktur, der findes i en dyb svamp, og er i stand til at overgå re-entrante hexagonale honningkager med 13‑fold.

Venus’ blomsterkurv: Naturens blåtryk

Den dybhavssvamp Euplectella Aspergillum, samlet kaldet Venus’ blomsterkurv, har en af de mest holdbare og unikke skeletstrukturer i hele naturen. Svampen har en gitterlignende skeletstruktur bestående af glasagtige elementer kaldet spikuler, der danner et kvadratisk gitter.

Gitteret forstærkes af dobbelt‑gittertværstivere, der giver strukturen et skakbræt-udseende med skiftende udfyldte felter. Disse åbne og lukkede celler giver dyret unikke mekaniske egenskaber, herunder uovertruffen stivhed og høj‑præstations energiabsorption.

Konstruktion af en 3D-model af den bioinspirerede gitterstruktur

Ingeniørerne konstruerede en 3D-model for at demonstrere deres opdagelser og teste deres teorier. Deres 3D body‑centered cubic gitterstruktur blev printet i termoplastisk polyurethan. Den indeholdt ni kvadratiske celler arrangeret i et 3 × 3‑gitter. Teamet bemærkede, at hver enkelt gitter alene udviste deformation, men når de kombineredes, udviste materialet auxetiske handlinger.

Computationale simuleringer: Forfining af BLS-design

Det næste skridt var at bruge data fra testene til at skabe computersimuleringer. Denne fremgangsmåde gør det muligt for ingeniører at forbedre deres testhastighed og afprøve mere eksotiske former og designs i flere tests. De brugte simuleringer til at evaluere indflydelsen af geometriske variationer.
Data for hvert materiale, inklusive dets auxetiske opførsel, stivhed og energiabsorptionskapacitet, blev dokumenteret. Derudover gennemgik teamet påvirkningen af strukturelle parametre som arrangement og tykkelse af de ikke‑diagonale og dobbelt‑diagonale bjælker. Teamet finjusterede derefter afstanden mellem de dobbelt‑diagonale bjælker for at opnå optimal ydeevne.

Testning af BLS: Eksperimentel verifikation

Forskerne testede deres nye gitterdesign på forskellige måder. Specifikt blev en Shimadzu AGS-50kNXD universal tester anvendt til at udføre quasi‑statisk uniaxial kompressionstest på de 3D‑printede BLS‑0 og CAS‑enheder. Ingeniørerne dokumenterede systematisk alle kerneaspekter af materialet, inklusive auxetisk opførsel, stivhed og energiabsorptionsegenskaber.

Imponerende testresultater

Testene leverede nogle imponerende resultater. Ifølge ingeniørerne overgik BLS de re‑entrante hexagonale muligheder på alle fronter. I forhold til kompression slog den det oprindelige design med 13 %. Derudover absorberede den 10 % mere energi over et 60 % større strækområde.
BLS viste næsten dobbelt så høj stivhed som traditionelle rørdesigns. Desuden var den 3‑gange stærkere og viste 4‑gange mere robusthed sammenlignet med sine re‑entrante honningkage‑forgængere. Denne forbedrede mekaniske præstation stammer fra et lettere design, der bruger langt mindre materiale end alternativerne.

Vigtige fordele ved den bioinspirerede gitterstruktur

Der er mange fordele, der gør BLS‑opdagelsen bemærkelsesværdig. For det første giver den ingeniører et nyt niveau af kompressionsstyrke og stivhed, som muliggør fremstilling af mere holdbare produkter. Fra boliger til biler kan dette lettere design øge robustheden af mange almindelige genstande, du bruger dagligt, såvel som nogle af de mest avancerede ingeniørprojekter i dag.

Rollen af 3D-print i BLS-fremstilling

En anden stor fordel ved dette design er, at det kan 3D‑printes. Denne tilgang gør det muligt for ingeniører at tilpasse layoutet til næsten enhver anvendelseskrav. Derudover giver den mulighed for at eksperimentere med andre materialer på en kontrolleret og let integrerbar måde, hvilket driver yderligere innovation.

Potentielle virkelige anvendelser af BLS

Dette bioinspirerede materiale kan føre til udviklingen af stærkere, mere modstandsdygtige strukturer i industrier som rumfart, bilindustri og byggeteknik. Alle disse sektorer er i konstant søgen efter materialer, der er lettere, lettere at arbejde med og udviser større styrke og stivhed.
Nu søger dette team af innovative forskere at inspirere en ny klasse af auxetiske materialer, som tilbyder overlegne mekaniske egenskaber såsom forbedret energiabsorption og strukturel stivhed.

Ingeniørapplikationer: Hvad kommer næste?

Mange analytikere forudser, at anvendelser kan dukke op inden for de næste 5 til 10 år, afhængigt af yderligere forskning og udvikling. Her er blot nogle af de potentielle anvendelser af denne teknologi.

Byggeri

Ifølge ingeniører vil byggebranchen være deres hovedfokus. Bygge‑ og konstruktionsmaterialer er dyre, og priserne er steget kraftigt de seneste år. Denne udvikling kan revolutionere sektoren på mange måder.
For det første vil det give byggefirmaer mulighed for at skabe stærkere strukturer, der bruger mindre materiale. Forestil dig dette gitter som erstatning for stålrammen i dit hus eller bjælkerne i en bygning. Det åbne og lukkede ternede layout og materialet giver auxetisk opførsel under kompression fra en letvægtsstruktur.
Derudover kunne arkitekter og ingeniører skabe bygninger, der er mere modstandsdygtige. Forestil dig en skyskraber designet til at reducere vibrationer under et jordskælv eller at blive stivere på en bestemt måde, når vinden presser på den. På denne måde kan BLS forbedre strukturingeniørens kapaciteter på tværs af markedet.

Beskyttelsesudstyr

Et andet interesseområde for BLS er inden for beskyttelsesudstyr. Dette materiale vil gøre selv‑bårent beskyttelsesudstyr lettere og mere robust. Gitterdesignet sikrer, at det lette udstyr kan holde til de hårdeste forhold og påvirkninger, hvilket åbner døren for et nyt sikkerhedsniveau i mange af dagens farligste sportsgrene.

Militær

Der findes flere militære anvendelser for dette materiale. Forestil dig næste generations letvægts‑ og supertynde kuglesikre veste. Ingeniører kunne lettere fremstille midlertidige broer, hvilket forbedrer både samling og transport. Derudover kan det spille en rolle i fremstilling af næste generations køretøjer og andet udstyr, der kræver opgraderet stivhed, men som skal overholde stramme vægtbegrænsninger.
Tænk på droner, der kan flyve længere og tåle mere skade, eller hjelme, der kan modstå direkte slag fra høje kalibre uden at splintre. Alt dette og mere er muligt ved at udnytte BLS‑teknologien.

Medicinske anvendelser

Det medicinske felt kan bruge denne teknologi til at forbedre flere forskellige procedurer. For eksempel skal implantater, der er designet til at holde arterier åbne, kunne tilpasse sig under ekstremt tryk og holde i årevis uden at nedbrydes. Det nye gitterdesign giver mere holdbarhed og stivhed, når det er nødvendigt, og forhindrer arterier i at lukke, hvilket redder liv.

Bilindustri

Der er mange måder, hvorpå denne teknologi kan gøre dit næste køretøj sikrere og mere effektivt. For det første kunne det opdaterede rørdesign erstatte stålrammen, som mange producenter i dag bruger. Dette nye design ville reducere produktionsomkostningerne og forbedre styrke og holdbarhed.
Derudover kan teknologien bruges til at gøre din kørsel meget glattere. Visualiser støddæmpere og andre vibrationsdæmpende strukturer fremstillet af disse materialer. Disse designs kan give mere komfort uden at øge den samlede vægt af din næste el‑bil.

Bioinspirerede gitterstruktur (BLS) forskere

RMIT’s Centre for Innovative Structures and Materials ledte undersøgelsen, som omfattede Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting‑Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie og Ngoc San Ha som forskere. Nu planlægger dette team at dykke ned i brugen af andre materialer såsom stål for at teste deres opfindelse.
Teamet har også udtrykt interesse for at anvende en kombination af materialer baseret på deres unikke egenskaber for yderligere at forbedre ydeevnen. Disse eksperimenter vil omfatte fremstilling af bjælker og kvadrater af forskellige materialer, der kan interagere.

Investering i materialvidenskabssektoren

Materialvidenskabssektoren har flere førende producenter, der fortsat driver teknologien til nye højder. Denne seneste udvikling demonstrerer, hvor hurtigt innovationen på markedet sker. Her er et innovativt firma, der er godt positioneret til at integrere enhver gennembrud inden for materialvidenskab for at forbedre sine afkast og produktlinje.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) indtrådte i tjeneste i 1948 og har base i Connecticut. Denne amerikanske producent specialiserer sig i honningkage‑designede materialer. Siden starten har Hexcel oplevet stor succes.
Interessant nok var en af virksomhedens første store regeringskontrakter at udvikle nye honningkage‑materialer til brug i radardome på militærfly under 2. verdenskrig. Efter krigens afslutning erhvervede virksomheden California Reinforced Plastics og Ciba Composites.
I 1995 overtog den Hercules Composites Products Division. I dag er den anerkendt som en førende innovator inden for avancerede kompositmaterialer til rumfart og industrielle anvendelser. Virksomheden hjalp berømt med at designe og fremstille Apollo 11‑genindtrængningsfartøjet i 1968.

Hexcel har flere patenter på sin forskning og fortsætter med at investere i udviklingen af næste‑generations materialer, der forbedrer strukturel integritet, reducerer vægt og tilbyder lettere fremstillingsmuligheder.
I øjeblikket har Hexcel 5 894 ansatte og rapporterede en omsætning på $1,90 mia i 2024. Aktien betragtes som et stærkt “Buy” af de fleste analytikere, da firmaet fortsat sikrer regeringskontrakter og støtte til næste‑generations teknologier. Disse faktorer, kombineret med virksomhedens historie og position, gør HXL til et klogt tilføjelse til enhver portefølje.

Seneste om Hexcel Corp.

Fremtiden for bioinspirerede gitterstrukturer

Når du undersøger den fordel, som bioinspirerede gitterstrukturer bringer til markedet, er det let at se, at de en dag vil spille en afgørende rolle i at gøre elektronik lettere, beskyttelsesudstyr sikrere og dit fremtidige køretøj mere robust.
Derudover vil fremskridt inden for 3D‑print gøre det endnu lettere for ingeniører at modellere og skabe ultra‑performante auxetiske strukturer og materialer. For nu fortjener dette team ros for at kaste lys over, hvordan auxetiske materialer fungerer, og hvordan evolutionen har hjulpet med at forbedre deres design.
Lær om andre gennembrud inden for materialvidenskab nu.

Refererede studier:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). Auxetisk opførsel og energiabsorptionskarakteristika for en gitterstruktur. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}