Dypvannssvamp inspirerer supersterk gitterstruktur for ingeniørfag

Et team av ingeniører fra RMITs Senter for innovative strukturer og materialer benyttet biomimikry for å utvikle en supersterk gitterstruktur som gir forbedret ytelse sammenlignet med tradisjonelle honningkakebaserte alternativer.

Inspirert av dypvannssvampen, Venus’ blomsterkurv, utnytter designet millioner av år med evolusjon for å optimalisere auxetisitet, stivhet og energiinntak. Her er hvordan denne ultra-sterke gitterstrukturen kan være nøkkelen til å åpne opp neste generasjons bygninger, medisinske prosedyrer og mye mer.

Forstå auxetiske materialer

For å forstå betydningen av denne utviklingen er det viktig å forstå den avgjørende rollen auxetiske materialer spiller i både naturlige og menneskeskapte anvendelser. Disse materialene skiller seg fra tradisjonelle gjenstander som blir klemt når de komprimeres eller forlenget når de strekkes.

I stedet viser auxetiske materialer lateral sammentrekning under kompresjon. Denne egenskapen gjør dem ideelle for bruk i applikasjoner hvor det er behov for å absorbere og fordele støtenergi effektivt. Merk at det finnes naturlige versjoner av auxetiske materialer som muskel sener, og menneskeskapte eksempler, som hjerte stenter som må tilpasse seg vaskulært trykk.

Evolusjonen av auxetiske design

Gjennom årene har det blitt gjort mye FoU for å utvikle de mest effektive auxetiske materialene. Noen nåværende design inkluderer kirale strukturer, stjerneformede honningkaker, roterende stive kroppstrukturer, fler-materiale auxetika og re-entrante honningkaker. Av disse alternativene er re-entrante sekskantede honningkaker de mest fremtredende.

Den re-entrante sekskantede honningkaken: En tradisjonell tilnærming

Den re-entrante sekskantede honningkake-designet ble bioinspirert fra honningkakene som finnes i bikuber. Det ble utviklet i 1982 og har diagonale ribber som forskyver seg innover under kompresjon, noe som gjør designet stivere.

Siden da har designet blitt forbedret med ekstra stag for å øke ytelsen. Likevel er det fortsatt mange ulemper med honningkakeoppsettet når det gjelder fleksibilitet, produksjonskostnader og samlet ytelse.

Fremgang i gitterstrukturer: BLS-studien

Etter å ha erkjent begrensningene i dette fremvoksende feltet, utviklet et team av forskere ved RMIT University et proprietært auxetisk design som kan overgå sine forgjengere på alle områder. Rapporten “Auxetisk oppførsel og energiinntaksegenskaper for en gitterstruktur inspirert av dypvannssvamp“¹ publisert i Composite Structures fremhever hvordan det nye designet ble inspirert av det skjelettlignende strukturen til en dyp svamp og er i stand til å overgå re-entrante sekskantede honningkaker med 13 ganger.

Venus’ blomsterkurv: Naturens blåkopi

Dypvannssvampen Euplectella Aspergillum, samlet kalt Venus’ blomsterkurv, har en av de mest holdbare og unike skjelettstrukturene i hele naturen. Svampen har en rutenettliknende skjelettstruktur sammensatt av glassaktige elementer kalt spikuler som danner et kvadratisk rutenett.

Kilde – RMIT Centre for Innovative Structures and Materials

Rutenettet er forsterket med dobbel-lattice stag som gir strukturen et sjakkbrettutseende med alternerende fylte kvadrater. Disse åpne og lukkede cellene gir dyret unike mekaniske egenskaper, inkludert uovertruffen stivhet og høyytelses energiinntak.

Bygging av en 3D-modell av den bioinspirerte gitterstrukturen

Ingeniørene konstruerte en 3D-modell for å demonstrere sine oppdagelser og teste sine teorier. Deres 3D kroppssentrerte kubiske gitterstruktur ble skrevet ut fra termoplastisk polyuretan. Den inkluderte ni kvadratiske celler arrangert i et 3 × 3 rutenett. Merkverdig noterte teamet at hver enkelt gitter alene viste deformasjonsatferd. Imidlertid, når de ble kombinert, viste materialet auxetiske handlinger.

Datamaskinsimuleringer: Forfining av BLS-designen

Det neste steget var å bruke data fra testingen til å lage datamaskinsimuleringer. Denne manøveren gjør det mulig for ingeniører å forbedre testhastigheten og prøve mer eksotiske former og design i flere tester. De brukte simuleringer for å evaluere innflytelsen av geometriske variasjoner.

Dataene for hvert materiale, inkludert dets auxetiske oppførsel, stivhet og energiinntaksevne, ble dokumentert. I tillegg gjennomgikk teamet påvirkningen av strukturelle parametere som arrangementet og tykkelsen på de ikke-diagonale og dobbel-diagonale stengene. Teamet finjusterte deretter avstanden mellom de dobbel-diagonale stengene for å oppnå optimal ytelse.

Testing av BLS: Eksperimentell verifisering

Forskerne testet deres nye gitterdesign på ulike måter. Spesifikt ble en  Shimadzu AGS-50kNXD universell tester brukt til å utføre quasi-statiske uniaxiale kompresjonstester på de 3D-printede BLS-0 og CAS-enhetene. Ingeniørene dokumenterte systematisk alle kjerneaspekter av materialet, inkludert auxetisk oppførsel, stivhet og energiinntaksegenskaper.

Imponerende testresultater

Testene ga noen imponerende resultater. Ifølge ingeniørene overgikk BLS re-entrante sekskantede alternativer på alle områder. Når det gjelder kompresjon, slo den det opprinnelige designet med 13 %. I tillegg absorberte den 10 % mer energi over et 60 % større tøyningsområde.

BLS viste nesten dobbelt så høy stivhet som tradisjonelle rørdesign. I tillegg var den 3 ganger sterkere og viste 4 ganger mer robusthet sammenlignet med sine re-entrante honningkake-forløpere. Denne forbedrede mekaniske ytelsen kommer fra et lettere design som bruker langt mindre materiale enn alternativer.

Viktige fordeler med den bioinspirerte gitterstrukturen

Det er mange fordeler som gjør BLS-oppdagelsen verdt å merke seg. For det første gir den ingeniører et nytt nivå av kompresjonsstyrke og stivhet som muliggjør skapelsen av mer holdbare produkter. Fra boliger til biler, kan dette lettere designet forbedre robustheten til mange vanlige gjenstander du bruker daglig, samt noen av de mest avanserte ingeniørprosjektene i dag.

Rollen til 3D-utskrift i BLS-produksjon

En annen stor fordel med dette designet er at det kan 3D‑skrives ut. Denne tilnærmingen gjør det mulig for ingeniører å tilpasse oppsettet for å møte nesten alle applikasjonskrav. I tillegg gir det en mulighet til å eksperimentere med andre materialer på en kontrollert og lett integrerbar måte, noe som driver mer innovasjon.

Potensielle virkelige anvendelser av BLS

Dette bioinspirerte materialet kan føre til utviklingen av sterkere, mer robuste strukturer i industrier som romfart, bilindustri og sivil ingeniørkunst. Alle disse sektorene er i konstant søken etter materialer som er lettere, enklere å arbeide med, og som viser større styrke og stivhet.

Nå søker dette teamet av innovative forskere å inspirere en ny klasse av auxetiske materialer, som tilbyr overlegne mekaniske egenskaper som forbedret energiinntak og strukturell stivhet.

Ingeniørapplikasjoner: Hva kommer neste?

Mange analytikere forutsier at applikasjoner kan dukke opp innen de neste 5 til 10 år, avhengig av videre forskning og utvikling.​ Her er bare noen av de potensielle anvendelsene av denne teknologien.

Konstruksjon

Ifølge ingeniører vil byggesektoren være deres hovedfokus. Bygg- og konstruksjonsmaterialer er dyre, med prisene som har steget kraftig de siste årene. Denne utviklingen kan revolusjonere sektoren på en rekke måter.

For det første vil det tillate byggherrer å skape sterkere strukturer som bruker mindre materiale. Tenk deg at dette gitteret erstatter stålkonstruksjonen i huset ditt eller bjelkene i en bygning. Det åpne og lukkede sjakkbrettoppsettet og materialet gir auxetisk oppførsel under kompresjon fra en lett struktur.

I tillegg kan arkitekter og ingeniører skape bygninger som er mer robuste. Forestill deg en skyskraper som er designet for å redusere vibrasjoner under et jordskjelv eller stivne på en spesiell måte når vinden blåser på den. På denne måten kan BLS forbedre strukturelle ingeniørkapasiteter på tvers av markedet.

Beskyttelsesutstyr

Et annet interesseområde for BLS er i beskyttelsesutstyrsindustrien. Dette materialet vil gjøre selvbærende beskyttelsesutstyr lettere og mer robust. Gitterdesignet vil sikre at det lette utstyret kan tåle de tøffeste forholdene og støt, og åpner døren for et nytt sikkerhetsnivå i mange av dagens farligste sporter.

Militær

Det finnes flere militære anvendelser for dette materialet. Forestill deg neste generasjons lettvektige og supertynne skuddsikre vester. Ingeniører kunne lettere lage midlertidige broer, noe som forbedrer både montering og transport. I tillegg kan det spille en rolle i å skape neste generasjons kjøretøy og annet utstyr som krever oppgradert stivhet, men som må oppfylle strenge vektkrav.

Tenk på droner som kan fly lenger og tåle mer skade, eller hjelmer som kan motstå direkte treff fra høykalibre uten å knuse. Alt dette og mer er mulig ved å bruke BLS-teknologi.

Medisinske anvendelser

Det medisinske feltet kan bruke denne teknologien til å forbedre flere ulike prosedyrer. For eksempel må implantater designet for å holde arterier åpne kunne justere seg under ekstremt trykk og vare i årevis uten å forringes. Det nye gitterdesignet gir mer holdbarhet og stivhet når det trengs, og hindrer arteriene i å lukke seg, noe som redder liv.

Bilindustri

Det finnes mange ulike måter denne teknologien kan gjøre ditt neste kjøretøy sikrere og mer effektivt. For det første kan det oppdaterte rørdesignet erstatte stålrammen som for tiden brukes av mange produsenter. Dette nye designet vil redusere produksjonskostnadene og forbedre styrke og holdbarhet.

I tillegg kan denne teknologien brukes til å gjøre kjøreturen mye jevnere. Visualiser støtdempere og andre vibrasjonsdempende strukturer laget med disse materialene. Disse designene kan gi mer komfort uten å legge til ekstra vekt på ditt neste elbil.

Bioinspirerte gitterstruktur (BLS) forskere

RMITs Senter for innovative strukturer og materialer ledet studien som inkluderte Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie og Ngoc San Ha som forskere. Nå planlegger dette teamet å utforske bruken av andre materialer som stål for å teste deres skapelse.

Teamet har også uttrykt interesse for å bruke en kombinasjon av materialer basert på deres unike egenskaper for å forsøke å forbedre ytelsen ytterligere. Disse eksperimentene vil inkludere å lage bjelker og kvadrater av varierende materialer som kan samhandle.

Investering i materialvitenskapssektoren

Materialvitenskapssektoren har flere ledende produsenter som fortsetter å drive teknologien til nye høyder. Denne siste utviklingen viser tempoet innovasjonen i markedet skjer med. Her er ett innovativt selskap som er godt posisjonert til å integrere eventuelle gjennombrudd i materialvitenskap for å forbedre sine avkastninger og produktlinje.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) startet sin virksomhet i 1948 og er basert i Connecticut. Denne amerikanske produsenten er spesialisert på honningkake-designede materialer. Siden oppstarten har Hexcel opplevd stor suksess.

Interessant nok var en av selskapets første store offentlige kontrakter å utvikle moderne honningkake-materialer for bruk i radardommer på militære fly under andre verdenskrig. Etter krigens slutt kjøpte selskapet California Reinforced Plastics og Ciba Composites.

I 1995 ervervet selskapet Hercules Composites Products Division. I dag er det anerkjent som en ledende innovatør innen avanserte komposittmaterialer for romfart og industrielle anvendelser. Selskapet bidro berømt til å designe og produsere Apollo 11 gjeninntredelsesfartøy i 1968.

Hexcel har flere patenter på sin forskning og fortsetter å investere i utviklingen av neste generasjons materialer som forbedrer strukturell integritet, reduserer vekt og tilbyr enklere produksjonsalternativer.

For tiden har Hexcel 5894 ansatte og rapporterte $1,90 milliarder i inntekter i 2024. Aksjen anses som en sterk “Kjøp” av de fleste analytikere ettersom selskapet fortsetter å sikre offentlige kontrakter og støtte for neste generasjons teknologier. Disse faktorene, kombinert med selskapets historie og posisjonering, gjør HXL til et smart tillegg i enhver portefølje.

Latest on Hexcel Corp.

Fremtiden for bioinspirerte gitterstrukturer

Når du undersøker fordelene som bioinspirerte gitterstrukturer gir til markedet, er det lett å se at de en dag vil spille en viktig rolle i å gjøre elektronikk lettere, beskyttelsesutstyr sikrere, og ditt fremtidige kjøretøy mer robust.

I tillegg vil fremskritt innen 3D‑utskrift gjøre det enda enklere for ingeniører å modellere og skape ultra‑ytelses auxetiske strukturer og materialer. For nå fortjener dette teamet anerkjennelse for å kaste lys over hvordan auxetiske materialer fungerer og hvordan evolusjonen har bidratt til å forbedre deres design.

Lær om andre gjennombrudd innen materialvitenskap nå.

Studier referert:

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