Djuphavssvamp inspirerar till superstark gitterstruktur för ingenjörsvetenskap

Ett team av ingenjörer från RMIT:s Centre for Innovative Structures and Materials använde biomimetik för att utveckla en superstark gitterstruktur som ger förbättrad prestanda jämfört med traditionella honungskombbaserade alternativ.

Inspirerad av djuphavssvampen Venus’ blomkorg utnyttjar designen miljontals år av evolution för att optimera auxetisk egenskap, styvhet och energibortagning. Så här kan denna ultrastarka gitterstruktur vara nyckeln till att möjliggöra nästa generations byggnader, medicinska procedurer och mycket mer.

Förstå auxetiska material

För att förstå vikten av denna utveckling är det avgörande att begripa den centrala rollen som auxetiska material spelar i både naturliga och konstgjorda tillämpningar. Dessa material skiljer sig från traditionella föremål som blir platta när de komprimeras eller förlängs när de dras.
Istället uppvisar auxetiska material lateral kontraktion under kompression. Denna egenskap gör dem idealiska för användning i tillämpningar där det behövs att absorbera och fördela stötkraft effektivt. Noterbart finns naturliga versioner av auxetiska material, såsom muskelns senor, och konstgjorda exempel, som hjärtstentar som måste anpassa sig till vaskulära tryckkrav.

Evolutionen av auxetiska designer

Under årens lopp har mycket F&U lagts på att utveckla de mest effektiva auxetiska materialen. Några nuvarande designer inkluderar kirala strukturer, stjärnformade honungskomber, roterande styva kroppar, multi-material auxetiker och återträngande honungskomber. Av dessa alternativ är återträngande hexagonala honungskomber de mest framträdande.

Den återträngande hexagonala honungskomben: Ett traditionellt tillvägagångssätt

Den återträngande hexagonala honungskombdesignen var bioinspirerad av honungskomberna som finns i bikupor. Den utvecklades 1982 och har diagonala ribbor som förskjuts inåt under kompression, vilket gör designen styvare.

Sedan dess har designen förbättrats med ytterligare stag för att öka prestandan. Det finns dock fortfarande många nackdelar med honungskomblayouten när det gäller flexibilitet, produktionskostnader och övergripande prestanda.

Framsteg inom gitterstrukturer: BLS-studien

Genom att erkänna begränsningarna inom detta framväxande område utvecklade ett team av forskare vid RMIT University en proprietär auxetisk design som kan överträffa sina föregångare på alla fronter. Rapporten “Auxetic behavior and energy absorption characteristics of a lattice structure inspired by deep-sea sponge“¹ publicerad i Composite Structures framhäver hur den nya designen inspirerades av den skelettliknande strukturen hos en djupsvamp och kan överträffa återträngande hexagonala honungskomber med 13 gånger.

Venus’ blomkorg: Naturens ritning

Den djuphavssvamp Euplectella Aspergillum, gemensamt kallad Venus’ blomkorg, har en av de mest hållbara och unika skelettstrukturerna i hela naturen. Svampen har en rutnätsliknande skelettstruktur bestående av glasiga element som kallas spikuler och som bildar ett fyrkantigt rutnät.

Rutnätet förstärks av dubbla gitterstag som ger strukturen ett schackbrädeutseende med alternerande fyllda rutor. Dessa öppna och slutna celler ger djuret unika mekaniska egenskaper, inklusive oöverträffad styvhet och högpresterande energibortagning.

Bygga en 3D-modell av den bioinspirerade gitterstrukturen

Ingenjörerna konstruerade en 3D-modell för att demonstrera sina upptäckter och testa sina teorier. Deras 3D-kroppscentrerade kubiska gitterstruktur trycktes i termoplastisk polyuretan. Den innehöll nio fyrkantiga celler arrangerade i ett 3 × 3-rutnät. Teamet noterade noggrant att var för sig uppvisade varje gitter deformationsegenskaper. När de däremot kombinerades visade materialet auxetiska egenskaper.

Datorbaserade simuleringar: Förfining av BLS-designen

Nästa steg var att använda data från testerna för att skapa datorsimuleringar. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för ingenjörer att förbättra sin testningshastighet och prova mer exotiska former och designer i fler tester. De använde simuleringar för att utvärdera påverkan av geometriska variationer.
Data för varje material, inklusive dess auxetiska beteende, styvhet och energibortagningskapacitet, dokumenterades. Dessutom granskade teamet påverkan av strukturella parametrar såsom arrangemang och tjocklek på de icke-diagonala och dubbla diagonala stavarna. Teamet finjusterade sedan avståndet mellan de dubbla diagonala stavarna för att uppnå optimal prestanda.

Testning av BLS: Experimentell verifiering

Forskarna testade sin nya gitterdesign på olika sätt. Specifikt användes en Shimadzu AGS-50kNXD universaltestare för att utföra quasi-statiska uniaxiala kompressionstester på de 3D-utskrivna BLS-0- och CAS-enheterna. Ingenjörerna dokumenterade systematiskt alla grundläggande aspekter av materialet, inklusive auxetiskt beteende, styvhet och energibortagningsegenskaper.

Imponerande testresultat

Testerna gav några imponerande resultat. Enligt ingenjörerna överträffade BLS de återträngande hexagonala alternativen på alla fronter. När det gäller kompression slog den den ursprungliga designen med 13 %. Dessutom absorberade den 10 % mer energi över ett 60 % större töjningsområde.
BLS visade nästan dubbelt så hög styvhet som traditionella rördesigner. Dessutom var den 3 gånger starkare och visade 4 gånger mer robusthet jämfört med sina återträngande honungskombförfäder. Denna förbättrade mekaniska prestanda kommer från en lättare design som använder avsevärt mindre material än alternativen.

Viktiga fördelar med den bioinspirerade gitterstrukturen

Det finns många fördelar som gör BLS-upptäckten värd att notera. För det första ger den ingenjörer en ny nivå av komprimeringsstyrka och styvhet som möjliggör skapandet av mer hållbara föremål. Från hem till bilar kan denna lättare design förbättra robustheten hos många vanliga föremål du använder dagligen, såväl som några av de mest avancerade ingenjörsprojekten idag.

3D-utskriftens roll i BLS-tillverkning

En annan stor fördel med denna design är att den kan 3D‑skrivas ut. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för ingenjörer att anpassa layouten för att möta nästan alla applikationskrav. Dessutom ger det möjlighet att experimentera med andra material på ett kontrollerat och lätt integrerbart sätt, vilket driver mer innovation.

Potentiella verkliga tillämpningar av BLS

Detta bioinspirerade material kan leda till utvecklingen av starkare, mer motståndskraftiga strukturer inom industrier som rymdteknik, bilindustri och byggnadsteknik. Alla dessa sektorer söker ständigt material som är lättare, enklare att arbeta med och som uppvisar större styrka och styvhet.
Nu strävar detta team av innovativa forskare efter att inspirera en ny klass av auxetiska material, som erbjuder överlägsna mekaniska egenskaper såsom förbättrad energibortagning och strukturell styvhet.

Ingenjörstillämpningar: Vad blir nästa?

Många analytiker förutspår att tillämpningar kan dyka upp inom de kommande 5 till 10 åren, beroende på ytterligare forskning och utveckling. Här är bara några av de potentiella tillämpningarna av denna teknik.

Byggnation

Enligt ingenjörer kommer byggsektorn att vara deras huvudfokus. Bygg- och konstruktionsmaterial är dyra och priserna har ökat kraftigt de senaste åren. Denna utveckling kan revolutionera sektorn på flera sätt.

För det första skulle det möjliggöra för byggare att skapa starkare strukturer som använder mindre material. Föreställ dig detta gitter som ersätter stålkonstruktionen i ditt hus eller bjälkarna i en byggnad. Den öppna och slutna schackbräde‑layouten och materialet erbjuder auxetiskt beteende under kompression från en lättviktig struktur.

Dessutom skulle arkitekter och ingenjörer kunna skapa byggnader som är mer motståndskraftiga. Föreställ dig en skyskrapa som är designad för att minska vibrationer under en jordbävning eller bli styvare på ett särskilt sätt när vinden blåser mot den. På så sätt kan BLS förbättra strukturingenjörskapets möjligheter på marknaden.

Skyddsutrustning

Ett annat intresseområde för BLS är inom skyddsutrustningsindustrin. Detta material kommer att göra självbärande skyddsutrustning lättare och mer motståndskraftig. Gitterdesignen säkerställer att den lätta utrustningen klarar de tuffaste förhållandena och stötar, vilket öppnar dörren för en ny säkerhetsnivå i många av dagens farligaste sporter.

Militär

Det finns flera militära tillämpningar för detta material. Föreställ dig nästa generations lätta och supertunna skottsäkra västar. Ingenjörer skulle kunna skapa föremål som tillfälliga broar enklare, vilket förbättrar både deras montering och transport. Dessutom kan det spela en roll i att skapa nästa generations fordon och annan utrustning som kräver förbättrad styvhet men måste uppfylla strikta viktkrav.
Tänk på drönare som kan flyga längre och ta mer skada, eller hjälmar som kan stå emot direkta träffar från högkalibriga projektiler utan att gå sönder. Allt detta och mer är möjligt genom att utnyttja BLS‑teknik.

Medicinska tillämpningar

Medicinfältet kan använda denna teknik för att förbättra flera olika procedurer. Till exempel måste implantat som är designade för att hålla artärer öppna kunna anpassa sig under extremt tryck och hålla i år utan att försämras. Den nya gitterdesignen ger mer hållbarhet och styvhet när det behövs, vilket förhindrar att artärerna stängs och räddar liv.

Bilindustri

Det finns många olika sätt som denna teknik kan göra ditt nästa fordon säkrare och mer effektivt. För det första kan den uppdaterade rördesignen ersätta den stålrama som för närvarande används av många tillverkare. Den nya designen skulle minska tillverkningskostnaderna och förbättra styrka och hållbarhet.
Dessutom kan denna teknik användas för att göra din körning mycket mjukare. Föreställ dig stötdämpare och andra vibrationsdämpande strukturer skapade med dessa material. Dessa designer kan ge mer komfort utan att öka den totala vikten på din nästa elbil.

Forskare bakom bioinspirerad gitterstruktur (BLS)

RMIT:s Centre for Innovative Structures and Materials ledde studien som inkluderade Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie och Ngoc San Ha som forskare. Nu planerar teamet att undersöka användningen av andra material såsom stål för att testa sin skapelse.
Teamet har också uttryckt intresse för att använda en kombination av material baserat på deras unika egenskaper för att ytterligare förbättra prestandan. Dessa experiment kommer att inkludera att tillverka balkarna och kvadraterna av olika material som kan interagera.

Investering i materialvetenskapssektorn

Materialvetenskapssektorn har flera ledande tillverkare som fortsätter att driva tekniken till nya höjder. Denna senaste utveckling visar den takt med vilken innovation sker på marknaden. Här är ett innovativt företag som är väl positionerat för att integrera eventuella genombrott inom materialvetenskap för att förbättra sina avkastningar och produktlinje.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) började sin verksamhet 1948 och är baserad i Connecticut. Denna amerikanska tillverkare specialiserar sig på honungskombdesignade material. Sedan starten har Hexcel haft stor framgång.
Intressant nog var ett av företagets första stora statliga kontrakt att utveckla moderna honungskombmaterial för användning i radardomar på militära flygplan under andra världskriget. Efter krigets slut förvärvade företaget California Reinforced Plastics och Ciba Composites.
1995 förvärvade det Hercules Composites Products Division. Idag är det erkänt som en ledande innovatör inom området avancerade kompositmaterial för rymd- och industriella tillämpningar. Företaget hjälpte berömt till att designa och tillverka Apollo 11:s återinträdesfarkost 1968.

Hexcel har flera patent på sin forskning och fortsätter att investera i utvecklingen av nästa generations material som förbättrar strukturell integritet, minskar vikt och erbjuder enklare tillverkningsalternativ.
För närvarande har Hexcel 5894 anställda och redovisade 1,90 miljarder dollar i intäkter år 2024. Dess aktie anses vara ett starkt “Köp” av de flesta analytiker eftersom företaget fortsätter att säkra statliga kontrakt och stöd för nästa generations teknologier. Dessa faktorer, i kombination med företagets historia och positionering, gör HXL till ett smart tillskott i vilken portfölj som helst.

Senaste om Hexcel Corp.

Framtiden för bioinspirerade gitterstrukturer

När du undersöker fördelarna som bioinspirerade gitterstrukturer ger på marknaden är det lätt att se att de en dag kommer att spela en avgörande roll för att göra elektronik lättare, skyddsutrustning säkrare och ditt framtida fordon mer robust.
Dessutom kommer framsteg inom 3D‑utskrift att göra det ännu enklare för ingenjörer att modellera och skapa ultrahögpresterande auxetiska strukturer och material. För närvarande förtjänar detta team beröm för att ha kastat ljus på hur auxetiska material fungerar och hur evolutionen har hjälpt till att förbättra deras design.
Lär dig mer om andra genombrott inom materialvetenskap nu.

Studier som refereras:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). Auxetiskt beteende och energibortagningskarakteristik för en gitterstruktur. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}