Föreställ dig en framtid där byggnader reser sig miltals över gatorna nedanför, turister gör dagsutflykter till kanten av vår atmosfär, och flera rymdstationer kan ses driva över natthimlen. För att göra denna sci-fi-vision till verklighet, vi kommer att behöva skapa nya typer av strukturer som är lätta men ändå starka och tuffa.

Ett traditionellt tillvägagångssätt för denna designprocess skulle innebära att skapa nya material, som superlegeringar – metaller som är exceptionellt starka och resistenta mot extrema temperaturer. Dessa avancerade material har gjort det möjligt för oss att flyga snabbare än ljudets hastighet och skicka rovers till Mars.

Dock, vi kan inte bara "uppfinna" nya kemiska grundämnen, och det finns bara ett begränsat antal sätt att blanda och matcha de som vi redan har. Vi behöver därför lära oss nya sätt att ordna de material som finns tillgängliga så att de resulterande strukturerna blir starkare och segare än själva materialen.

Tack och lov, naturen har brottats med samma problem i hundratals miljoner år. Till skillnad från ingenjörer, dock, naturen kommer inte på nya arrangemang, eller "mekaniska konstruktioner, " med hjälp av ekvationer och datoralgoritmer. Snarare, den producerar många olika mönster genom evolutionära mekanismer, som genetisk mutation. Sedan, genom naturligt urval, organismer med bättre design överlever ofta de med sämre och lämnar över ritningarna av dessa designs till sina avkommor genom genetiskt arv.

Denna evolutionära process kan producera extremt effektiva mekaniska konstruktioner som ofta inte ser ut som de som används i den tekniska världen. Till exempel, Jag studerar svampar som lever på havets botten för att lära mig nya sätt att göra starkare balkar – strukturerna som håller upp allt från våra hem till ramarna på våra bilar och broarna vi kör över.

Vetenskapen bakom bioinspirerad ingenjörskonst

Bioinspirerad teknik har blivit ett hett ämne i vetenskapsvärlden. Målet är först att förstå hur en biologisk strukturs mekaniska design förbättrar dess prestanda, och sedan att tillämpa de fysikprinciper som ligger till grund för den designen för att skapa nya mänskligt skapade strukturer.

Till exempel, de hårda skalen av musslor och ostron består av aragonit, ett sprött mineral som är huvudingrediensen i kalksten. Musslaskal är tuffa eftersom detta mineral inte är slumpmässigt packat ihop, utan snarare är arrangerad i ett mönster som ser ut som en mikroskopisk tegelvägg. Gränssnitten mellan tegelstenarna i denna vägg förhindrar att sprickor växer i en rak bana genom skalet.

Att bara kopiera och klistra in den här designen för att skapa en ny mänskligt skapad struktur skulle inte nödvändigtvis ge oss en struktur med samma seghet som skalet. Snarare, bioinspirerad ingenjörskonst är en process i flera steg.

Först, vi identifierar funktionen av en naturlig struktur. Till exempel, skalet skyddar musslan från rovdjur. Nästa, vi kvantifierar hur den strukturens design påverkar dess prestanda för den funktionen – i det här fallet, hur starkt och segt musselskalet är jämfört med själva aragonit. Till sist, vi vill förklara sambandet mellan design och prestanda. För musselskalet, detta skulle innebära att härleda en ekvation som relaterar parametrar som bildförhållandet för de mikroskopiska "tegelstenarna" i den till skalets seghet.

Vad gör svampar så starka?

Till skillnad från en mjuk, squishy kökssvamp, den marina svampen som jag studerar, Euplectella aspergillum , är stel och stark. Den har ett otroligt komplext skelett som består av en komplicerad sammansättning av fibrer, känd som spicules, inte större än ett människohår. Deras strukturella funktion är ungefär som den hos de tusentals balkar som utgör Eiffeltornet.

Svampens spicules är ovanliga eftersom de nästan helt är gjorda av glas! Medan vi vanligtvis tänker på glas som ett svagt och sprött material, spiklarna är otroligt starka och spänstiga. Denna kontrast är vad som ursprungligen motiverade mig att fundera över vad som gör spiklarna så starka – och hur de kan lära oss att göra starkare balkar.

Lager leder till styrka

Min forskning fokuserar på en specialiserad grupp av spicules som fungerar som rötter för att förankra svampen till havsbottens mjuka sediment. Att förbli säkert fäst vid havsbotten gör att svampen pumpar vatten genom sin kropp och filtrerar bort mikroorganismer att äta.

Som musslans skal, ankarspiklerna har också en mikroskopisk mekanisk design. Om du skär upp en, du kommer att upptäcka att spicules glas är arrangerat i koncentriska lager som ser mycket ut som trädringar. Det är möjligt att den här mekaniska designen gör att ankarspetsarna kan böjas mer innan de går sönder, och gör därför svampens fäste mer robust.

Jag har utforskat den här idén genom att mäta hur mycket ankarspetsarna kan böjas innan de går sönder, och jämföra dem med spicules från en annan svamp som har samma kemiska sammansättning men inte har några lager. Resultaten av detta experiment visar det E. aspergillum spiklarna kan böjas ungefär 2,4 gånger mer än spiklarna utan lager.

Låsa upp hemligheten till starkare strukturer

Nästa steg i min forskning är att förstå varför att helt enkelt arrangera glaset i koncentriska lager har så stor effekt på böjhållfastheten. Planen är att härleda ekvationer som kan förutsäga styrkan hos en balk med ett visst antal koncentriska lager och lagertjocklekar – det tredje steget i den bioinspirerade ingenjörsprocessen. Om mina ekvationer är korrekta, de borde kunna förutsäga styrkan som jag mätte exakt.

För några år sedan var jag en del av ett team som utvecklade en teoretisk modell för att göra den här typen av förutsägelser. Dock, ekvationerna som utgör denna modell förutspår att skikten bör öka spikelns böjhållfasthet med endast max 33 procent – ​​långt ifrån de 140 procents ökning som jag nyligen mätte i de faktiska spiklarna. Denna skillnad tyder på att det saknas något i vår modell, och att vi måste gå tillbaka och revidera dessa ekvationer.

När vi väl har en korrekt modell, vi skulle kunna använda ekvationerna för att designa spikelliknande, skiktade balkar som är mycket starkare än dagens toppmoderna strukturer. Dessa skiktade strålar kan i slutändan användas för att tillverka raketer, flygplan, och rymdmiljöer som är betydligt lättare, och därför mer effektiv, än de vi använder idag. På ett sätt, designhemligheter från havets botten kan så småningom hjälpa oss att utforska nya världar.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.