När vi tänker på svampar, vi tenderar att tänka på något mjukt och squishy. Men forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) använder de glasartade skelett av marina svampar som inspiration för nästa generation av starkare och högre byggnader, längre broar, och lättare rymdfarkoster.

I en ny tidning publicerad i Naturmaterial , forskarna visade att den diagonalt förstärkta kvadratiska gitterliknande skelettstrukturen av Euplectella aspergillum, en djuphavssvamp, har ett högre hållfasthet-till-viktförhållande än de traditionella gallerkonstruktioner som har använts i århundraden vid konstruktion av byggnader och broar.

"Vi fann att svampens diagonala förstärkningsstrategi uppnår det högsta bucklingsmotståndet för en given mängd material, vilket innebär att vi kan bygga starkare och mer motståndskraftiga strukturer genom att intelligent omarrangera befintligt material i strukturen, sade Matheus Fernandes, en doktorand vid SEAS och första författare till tidningen.

"På många områden, såsom flygteknik, styrka-till-vikt-förhållandet för en struktur är avgörande, sa James Weaver, en Senior Scientist vid SEAS och en av motsvarande författare till artikeln. "Denna biologiskt inspirerade geometri kan ge en färdplan för att designa lättare, starkare strukturer för ett brett spektrum av applikationer."

Om du någonsin har gått genom en täckt bro eller satt ihop en metallhylla, du har sett diagonala gitterarkitekturer. Denna typ av design använder många små, tätt placerade diagonala balkar för att jämnt fördela applicerade belastningar. Denna geometri patenterades i början av 1800-talet av arkitekten och civilingenjören, Ithiel stad, som ville ha en metod för att göra robusta broar av lätta och billiga material.

"Staden utvecklade en enkel, kostnadseffektivt sätt att stabilisera kvadratiska gitterstrukturer, som används än i dag, " sade Fernandes. "Det får jobbet gjort, men det är inte optimalt, leder till bortkastat eller överflödigt material och ett tak för hur högt vi kan bygga. En av huvudfrågorna som drev denna forskning var, kan vi göra dessa strukturer mer effektiva ur ett materialallokeringsperspektiv, i slutändan använder mindre material för att uppnå samma styrka?"

Lyckligtvis, glassvamparna, gruppen som Euplectella aspergillum - även känd som Venus' blomkorg tillhör - hade ett försprång på nästan en halv miljard år på forsknings- och utvecklingssidan. För att stödja dess rörformade kropp, Euplectella aspergillum använder två uppsättningar parallella diagonala skelettstag, som skär över och smälts samman med ett underliggande kvadratiskt rutnät, för att bilda ett robust schackbrädeliknande mönster.

"Vi har studerat struktur-funktionsförhållanden i svampens skelettsystem i mer än 20 år, och dessa arter fortsätter att överraska oss, sa Weaver.

I simuleringar och experiment, forskarna replikerade denna design och jämförde svampens skelettarkitektur med befintliga gittergeometrier. Svampdesignen överträffade dem alla, klarar tyngre belastningar utan att knäckas. Forskarna visade att den parade parallella korsade diagonala strukturen förbättrade den totala strukturella styrkan med mer än 20 procent, utan att behöva lägga till ytterligare material för att uppnå denna effekt.

"Vår forskning visar att lärdomar från studier av svampskelettsystem kan utnyttjas för att bygga strukturer som är geometriskt optimerade för att fördröja buckling, med enorma konsekvenser för förbättrad materialanvändning i moderna infrastrukturtillämpningar, sa Katia Bertoldi, William och Ami Kuan Danoff professor i tillämpad mekanik vid SEAS och en motsvarande författare till studien.