Spons Laut Dalam Menginspirasi Struktur Kisi Super Kuat untuk Rekayasa

Sebuah tim insinyur dari Pusat Struktur dan Material Inovatif RMIT memanfaatkan biomimikri untuk mengembangkan struktur kisi super kuat yang memberikan kinerja meningkat dibandingkan opsi tradisional berbasis sarang lebah.

Terinspirasi oleh spons laut dalam, Venus’ flower basket, desain ini memanfaatkan jutaan tahun evolusi untuk mengoptimalkan auxetik, kekakuan, dan penyerapan energi. Berikut cara struktur kisi ultra kuat ini dapat menjadi kunci membuka bangunan generasi berikutnya, prosedur medis, dan banyak lagi.

Memahami Material Auxetik

Untuk memahami pentingnya pengembangan ini, penting untuk memahami peran krusial material auxetik dalam aplikasi alami maupun buatan. Material ini berbeda dari barang tradisional yang menjadi gepeng saat ditekan atau memanjang saat ditarik.

Sebaliknya, material auxetik menunjukkan kontraksi lateral saat dikompresi. Karakteristik ini menjadikannya ideal untuk aplikasi yang membutuhkan penyerapan dan distribusi energi benturan secara efektif. Secara khusus, terdapat versi alami material auxetik seperti tendon otot, dan contoh buatan manusia, seperti stent jantung yang harus menyesuaikan tekanan vaskular.

Evolusi Desain Auxetik

Selama bertahun‑tahun, banyak penelitian dan pengembangan yang diarahkan untuk mengembangkan material auxetik yang paling efektif. Beberapa desain saat ini meliputi struktur kiral, sarang lebah berbentuk bintang, struktur badan kaku berputar, auxetik multi‑material, dan sarang lebah re‑entrant. Dari opsi‑opsi ini, sarang lebah heksagonal re‑entrant adalah yang paling menonjol.

Sarang Lebah Heksagonal Re‑Entrant: Pendekatan Tradisional

Desain sarang lebah heksagonal re‑entrant terinspirasi secara bio dari sarang lebah yang ditemukan di sarang lebah. Desain ini dikembangkan pada tahun 1982 dan memiliki tulang rusuk diagonal yang bergeser ke dalam saat terkompresi, memperkuat desain.

Sejak itu, desain tersebut telah ditingkatkan dengan penambahan balok tambahan untuk meningkatkan kinerja. Namun, masih banyak kelemahan pada tata letak sarang lebah dalam hal fleksibilitas, biaya produksi, dan kinerja keseluruhan.

Meningkatkan Struktur Kisi: Studi BLS

Menyadari keterbatasan dalam bidang yang sedang berkembang ini, tim Peneliti di Universitas RMIT mengembangkan desain auxetik proprietari yang dapat mengungguli pendahulunya secara menyeluruh. Laporan “Perilaku auxetik dan karakteristik penyerapan energi dari struktur kisi yang terinspirasi oleh spons laut dalam“¹ yang dipublikasikan dalam Composite Structures menyoroti bagaimana desain baru ini terinspirasi oleh struktur rangka spons dalam dan mampu mengungguli sarang lebah heksagonal re‑entrant hingga 13 kali.

Venus’ Flower Basket: Cetak Biru Alam

Spons laut dalam Euplectella Aspergillum, yang secara kolektif disebut Venus’s flower basket, memiliki salah satu struktur rangka paling tahan lama dan unik di alam. Spons ini memiliki struktur rangka berbentuk kisi yang terdiri dari elemen kaca yang disebut spikula yang membentuk kisi persegi.

Sumber – RMIT Centre for Innovative Structures and Materials

Kisi tersebut diperkuat oleh balok ganda yang memberikan struktur tampilan papan catur dengan kotak bergantian terisi. Sel terbuka dan tertutup ini memberikan hewan tersebut sifat mekanik unik termasuk kekakuan tak tertandingi dan penyerapan energi berperforma tinggi.

Membangun Model 3D dari Struktur Kisi Bio‑inspirasi

Para insinyur membangun model 3D untuk menunjukkan temuan mereka dan menguji teori mereka. Struktur kisi kubik berpusat pada badan 3D mereka dicetak dari poliuretan termoplastik. Model tersebut mencakup sembilan sel persegi yang disusun dalam kisi 3 × 3. Secara cermat, tim mencatat bahwa masing‑masing kisi secara terpisah menunjukkan perilaku deformasi. Namun, ketika digabungkan, material tersebut menunjukkan aksi auxetik.

Simulasi Komputasi: Menyempurnakan Desain BLS

Langkah selanjutnya adalah memanfaatkan data dari pengujian untuk membuat simulasi komputer. Pendekatan ini memungkinkan insinyur meningkatkan laju pengujian mereka dan mencoba bentuk serta desain yang lebih eksotis dalam lebih banyak pengujian. Mereka menggunakan simulasi untuk mengevaluasi pengaruh variasi geometris.

Data setiap material termasuk perilaku auxetik, kekakuan, dan kemampuan penyerapan energi didokumentasikan. Selain itu, tim meninjau dampak parameter struktural seperti susunan dan ketebalan balok non‑diagonal dan balok ganda diagonal. Tim kemudian menyempurnakan jarak antar balok diagonal ganda untuk mencapai kinerja optimal.

Pengujian BLS: Verifikasi Eksperimental

Para peneliti menguji desain kisi baru mereka dengan berbagai cara. Secara khusus, penguji universal Shimadzu AGS-50kNXD digunakan untuk melakukan uji kompresi uniaxial quasi‑statis pada unit BLS-0 dan CAS yang dicetak 3D. Insinyur secara sistematis mendokumentasikan semua aspek inti material termasuk perilaku auxetik, kekakuan, dan sifat penyerapan energi.

Hasil Pengujian yang Mengagumkan

Pengujian menghasilkan beberapa hasil yang mengagumkan. Menurut insinyur, BLS mengungguli opsi heksagonal re‑entrant secara keseluruhan. Dalam hal kompresi, BLS mengalahkan desain asli sebesar 13%. Selain itu, BLS menyerap energi 10% lebih banyak dengan rentang regangan yang 60% lebih besar.

BLS menunjukkan hampir dua kali lipat kekakuan dibandingkan desain tabung tradisional. Selain itu, BLS tiga kali lebih kuat dan menunjukkan empat kali lebih tahan banting bila dibandingkan dengan pendahulu sarang lebah re‑entrant. Kinerja mekanik yang ditingkatkan ini berasal dari desain yang lebih ringan dan menggunakan jauh lebih sedikit material dibandingkan alternatif.

Manfaat Utama dari Struktur Kisi Bio‑inspirasi

Ada banyak manfaat yang membuat penemuan BLS patut dicatat. Pertama, BLS memberikan insinyur tingkat baru kekuatan kompresi dan kekakuan yang memungkinkan pembuatan barang yang lebih tahan lama. Dari rumah hingga mobil, desain yang lebih ringan ini dapat meningkatkan ketangguhan banyak barang sehari‑hari yang Anda gunakan, serta beberapa proyek yang paling canggih saat ini.

Peran Pencetakan 3D dalam Manufaktur BLS

Manfaat utama lainnya dari desain ini adalah dapat dicetak 3D. Pendekatan ini memungkinkan insinyur menyesuaikan tata letak untuk memenuhi hampir semua kebutuhan aplikasi. Selain itu, ini memberikan kesempatan untuk bereksperimen dengan material lain secara terkontrol dan mudah diintegrasikan, mendorong lebih banyak inovasi.

Potensi Aplikasi Dunia Nyata dari BLS

Material bio‑inspirasi ini dapat menghasilkan pengembangan struktur yang lebih kuat dan lebih tahan lama di industri seperti dirgantara, otomotif, dan teknik sipil. Semua sektor ini terus mencari material yang lebih ringan, lebih mudah diproses, serta memiliki kekuatan dan kekakuan lebih tinggi.

Saat ini, tim peneliti inovatif ini berusaha menginspirasi kelas baru material auxetik, menawarkan sifat mekanik superior seperti penyerapan energi yang ditingkatkan dan kekakuan struktural.

Aplikasi Rekayasa: Apa Selanjutnya?

Banyak analis memprediksi aplikasi dapat muncul dalam 5 hingga 10 tahun ke depan, tergantung pada penelitian dan pengembangan lebih lanjut. Berikut beberapa potensi aplikasi teknologi ini.

Konstruksi

Menurut insinyur, sektor bangunan akan menjadi fokus utama mereka. Material bangunan dan konstruksi mahal dengan harga yang meningkat tajam dalam beberapa tahun terakhir. Pengembangan ini dapat merevolusi sektor tersebut dalam berbagai cara.

Pertama, ini akan memungkinkan para pembangun membuat struktur yang lebih kuat dengan menggunakan lebih sedikit material. Bayangkan kisi ini menggantikan rangka baja pada rumah Anda atau balok dalam sebuah bangunan. Tata letak papan catur terbuka dan tertutup serta materialnya menawarkan perilaku auxetik saat terkompresi dari struktur ringan.

Selain itu, arsitek dan insinyur dapat menciptakan bangunan yang lebih tahan banting. Bayangkan sebuah gedung pencakar langit yang dirancang untuk mengurangi getaran selama gempa bumi atau menguat secara khusus ketika angin mendorongnya. Dengan cara ini, BLS dapat meningkatkan kemampuan rekayasa struktural di seluruh pasar.

Peralatan Pelindung

Bidang lain yang menarik bagi BLS adalah industri perlengkapan pelindung. Material ini akan membuat perlengkapan pelindung yang dipakai sendiri menjadi lebih ringan dan lebih tahan banting. Desain kisi akan memastikan perlengkapan ringan tersebut dapat bertahan dalam kondisi dan benturan paling keras, membuka pintu bagi tingkat keamanan baru dalam banyak olahraga berbahaya saat ini.

Militer

Ada beberapa aplikasi militer untuk material ini. Bayangkan rompi anti peluru generasi berikutnya yang ringan dan sangat tipis. Insinyur dapat membuat item seperti jembatan sementara dengan lebih mudah, meningkatkan proses perakitan dan transportasinya. Selain itu, material ini dapat berperan dalam pembuatan kendaraan generasi berikutnya dan peralatan lain yang memerlukan kekakuan tinggi namun harus memenuhi batas berat yang ketat.

Pikirkan drone yang dapat terbang lebih jauh dan menahan lebih banyak kerusakan, atau helm yang dapat menahan pukulan langsung dari kaliber tinggi tanpa hancur. Semua ini dan lebih banyak lagi dimungkinkan dengan memanfaatkan teknologi BLS.

Aplikasi Medis

Bidang medis dapat menggunakan teknologi ini untuk meningkatkan beberapa prosedur. Misalnya, implan yang dirancang untuk menjaga arteri tetap terbuka harus dapat menyesuaikan diri di bawah tekanan ekstrem dan bertahan tanpa degradasi selama bertahun‑tahun. Desain kisi baru memberikan lebih banyak daya tahan dan kekakuan saat diperlukan, mencegah arteri menutup dan menyelamatkan nyawa.

Otomotif

Ada banyak cara teknologi ini dapat membuat kendaraan Anda berikutnya lebih aman dan lebih efisien. Pertama, desain tabung yang diperbarui dapat menggantikan rangka baja yang saat ini digunakan oleh banyak produsen. Desain baru ini akan mengurangi biaya produksi serta meningkatkan kekuatan dan daya tahan.

Selain itu, teknologi ini dapat digunakan untuk membuat perjalanan Anda jauh lebih halus. Bayangkan peredam kejut dan struktur peredam getaran lainnya yang dibuat dengan material ini. Desain tersebut dapat memberikan kenyamanan lebih tanpa menambah berat keseluruhan kendaraan listrik Anda berikutnya.

Peneliti Struktur Kisi Bio‑inspirasi (BLS)

Pusat Struktur dan Material Inovatif RMIT memimpin studi yang melibatkan Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting‑Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie, dan Ngoc San Ha sebagai peneliti. Sekarang, tim ini berencana menyelami penggunaan material lain seperti baja untuk menguji kreasi mereka.

Tim juga menyatakan minat untuk memanfaatkan kombinasi material berdasarkan sifat uniknya guna mencoba meningkatkan kinerja lebih jauh. Eksperimen ini akan mencakup pembuatan balok dan kotak dari berbagai material yang dapat berinteraksi.

Berinvestasi di Sektor Ilmu Material

Sektor ilmu material memiliki beberapa produsen terkemuka yang terus mendorong teknologi ke tingkat baru. Pengembangan terbaru ini menunjukkan kecepatan inovasi di pasar. Berikut satu perusahaan inovatif yang berada pada posisi baik untuk mengintegrasikan terobosan ilmu material guna meningkatkan ROI dan lini produknya.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) memulai layanan pada tahun 1948 dan berbasis di Connecticut. Produsen berbasis AS ini mengkhususkan diri dalam material berdesain sarang lebah. Sejak didirikan, Hexcel telah meraih kesuksesan besar.

Menariknya, salah satu kontrak pemerintah besar pertama perusahaan ini adalah mengembangkan material sarang lebah generasi baru untuk digunakan pada kubah radar pesawat militer selama Perang Dunia II. Setelah perang berakhir, perusahaan ini mengakuisisi California Reinforced Plastics dan Ciba Composites.

Pada tahun 1995, perusahaan ini mengakuisisi Divisi Produk Hercules Composites. Saat ini, perusahaan diakui sebagai inovator terkemuka dalam bidang material komposit maju untuk aplikasi dirgantara dan industri. Perusahaan ini terkenal membantu merancang dan memproduksi pesawat masuk kembali Apollo 11 pada tahun 1968.

Hexcel memiliki beberapa paten atas penelitiannya dan terus mengalokasikan dana untuk mengembangkan material generasi berikutnya yang meningkatkan integritas struktural, mengurangi berat, dan menawarkan opsi manufaktur yang lebih mudah.

Saat ini, Hexcel memiliki 5.894 karyawan dan mencatat pendapatan $1,90 miliar pada tahun 2024. Sahamnya dianggap “Beli” kuat oleh kebanyakan analis karena perusahaan terus mengamankan kontrak pemerintah dan mendukung teknologi generasi berikutnya. Faktor-faktor ini, bersama dengan sejarah dan posisi perusahaan, menjadikan HXL tambahan cerdas untuk portofolio mana pun.

Berita Terbaru tentang Hexcel Corp.

Masa Depan Struktur Kisi Bio‑inspirasi

Ketika Anda meninjau manfaat yang dibawa struktur kisi bio‑inspirasi ke pasar, mudah terlihat bahwa mereka suatu hari nanti akan memainkan peran penting dalam membuat elektronik lebih ringan, perlengkapan pelindung lebih aman, dan kendaraan masa depan Anda lebih tangguh.

Selain itu, kemajuan dalam pencetakan 3D akan memudahkan insinyur untuk memodelkan dan menciptakan struktur dan material auxetik berperforma ultra. Untuk saat ini, tim ini pantas mendapat penghargaan karena telah menerangi cara kerja material auxetik dan bagaimana evolusi membantu memperbaiki desain mereka.

Pelajari Terobosan Ilmu Material Lainnya Sekarang.

Studi yang Dirujuk:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). Perilaku auxetik dan karakteristik penyerapan energi dari struktur kisi. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}