Die Tier- und Pflanzenwelt hat Wissenschaftler seit Jahrhunderten inspiriert, und Wissenschaftler haben sich seit langem dafür interessiert, warum bestimmte Organismen stoßresistent sind. Denken Sie an den Schädel und den Schnabel eines Spechts, an die schützende Überlappung der Fischschuppen oder an die dicke Schale, die das Aufbrechen einer fallenden Frucht verhindert.
Verwandte Inhalte
- Diese schlanken, sexy Autos wurden alle von Fischen inspiriert
- Wie Biomimicry menschliche Innovationen inspiriert
Ein Superstar auf diesem Gebiet ist die Muschelschale, wie Sie sie vielleicht an Ihr Ohr gehalten haben, um den Ozean zu hören. Die Muschelkönigin wird von Wellen und Raubtieren zusammengeschlagen, aber die Struktur des Materials, aus dem die Muschel besteht, ist bemerkenswert stark. Dies ist auf die Struktur der Hülle zurückzuführen, die aus gekreuzten Calciumcarbonatschichten besteht, die in unterschiedlichen Orientierungen angeordnet und durch weichere Proteine getrennt sind, erklärt MIT-Ingenieurprofessor Markus Bühler, dessen Labor eine künstliche Nachbildung dieser Struktur entwarf verwendet in Helmen und anderen Schutzpanzern und veröffentlichte die Ergebnisse in der Zeitschrift Advanced Materials . Sowohl in der Muschelversion als auch in der künstlichen Version wechselt die „Körnung“ des Materials um 90 Grad, sodass es unwahrscheinlich ist, dass sich ein Aufprall aus einer bestimmten Richtung durchsetzt.
„Wir können diese Systeme nicht nur analysieren und modellieren und versuchen, sie zu optimieren, sondern mit diesen Geometrien auch wirklich neue Materialien schaffen“, sagt Bühler.
Wissenschaftler haben die Struktur der Schale bereits zuvor modelliert, aber Fortschritte im 3D-Druck haben dazu geführt, dass das Bühler-Team sie reproduzieren konnte. Die entscheidende Neuerung war ein Extruder (die Düse, durch die das Material fließt), der mehrere, aber verwandte Polymere emittieren kann, eines, das sehr steif und eines, das geschmeidiger ist, um die Calciumcarbonat- und Proteinschichten der Hülle zu replizieren. Da die Polymere ähnlich sind, können sie ohne Klebstoff miteinander verbunden werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit geringer wird, dass sie auseinander brechen. In Tests, bei denen 5, 6-Kilogramm-Stahlgewichte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten auf Bleche des Materials fallen gelassen wurden, zeigte die gekreuzte Struktur eine 85-prozentige Zunahme der Energie, die es absorbieren könnte, im Vergleich zu demselben Material ohne dieses.
Es mag einfach erscheinen, Dinge basierend auf der Natur zu entwerfen, aber es gibt noch viel mehr zu überlegen, als nur ein Objekt direkt zu kopieren, betont Andreas Tovar, Professor für Maschinenbau an der Indiana University-Purdue University in Indianapolis. Tovar, der nicht an der MIT-Studie beteiligt war, arbeitet auch an bioinspirierten Schutzstrukturen, wie z. B. einem Autodesign, das auf einem Wassertropfen basiert und durch eine Struktur geschützt ist, die einem Brustkorb ähnelt.
Die molekulare Struktur der Muschelschale könnte eines Tages verwendet werden, um stärkere Helme oder Körperschutzpanzer herzustellen. (Wikimedia Commons) „Es gibt zwei Möglichkeiten, bioinspiriertes Design zu entwickeln“, sagt er. „Man beobachtet die Struktur in der Natur und versucht dann, diese Struktur nachzuahmen. Der zweite Ansatz ist die Nachahmung des Prozesses, den die Natur durchführt, um eine Struktur zu erzeugen. “Beispielsweise entwickelte Tovar einen Algorithmus zur Nachahmung der zellulären Prozesse, die menschliche Knochen bilden, ein Beispiel für den zweiten Ansatz. Im Gegensatz dazu begann Bühler mit dem größeren Material oder der Orgelstruktur der Muschelschale und fragte, wie diese Struktur mit künstlichen Materialien nachgebildet werden könne.
Sowohl bei Tovar als auch bei Bühler geht es darum zu erkennen, welche Teile der Struktur für ihre Funktion maßgeblich sind und welche Spuren von unterschiedlichem Evolutionsdruck vorliegen. Im Gegensatz zu einem lebenden Organismus muss ein biologisch inspirierter Helm beispielsweise keine biologischen Funktionen wie Atmung und Wachstum enthalten.
„Ein Schlüsselelement ist, dass [Bühlers Labor] die hierarchische Komplexität der Natur nachbildet, sagt Tovar. „Sie können mit additiven Fertigungsmethoden fertigen. Sie testen und sehen diese beeindruckende Steigerung der mechanischen Leistung. "
Obwohl Bühler vom Verteidigungsministerium finanziell unterstützt wurde, das sich für Helme und Körperschutz für Soldaten interessiert, ist dies für Sportarten wie Fahrrad- oder Fußballhelme ebenso und möglicherweise nützlicher. "Sie könnten optimiert werden, sie könnten über die aktuellen Designanforderungen hinausgehen, die recht simpel sind - Sie haben etwas Schaum, Sie haben eine harte Schale und das wars auch schon", sagt er.
Es gibt noch keinen Helm, sagt Bühler - sie haben das Material gebaut und planen, es als nächstes auf Helme aufzutragen. Und das Design ist wichtig, auch über das Material hinaus. „Auch wenn wir nicht die steifen und weichen Materialien verwenden, die wir hier verwendet haben, die wir im 3D-Druckverfahren hergestellt haben, können Sie Stahl und Beton oder andere Arten von Polymeren, z. B. Keramik, verwenden - Wenn Sie dasselbe tun, dh dieselben Strukturen, können Sie sogar ihre Eigenschaften verbessern, über das hinaus, was sie selbst tun können “, sagt er.
