海绵新物种的启示：简化航天器的工程设计

仿生学在科学领域被广泛使用。例如，人们发明了基于飞行以保持平衡的摆杆的振动陀螺仪，发明了基于蝙蝠的超声波定位的雷达，并发明了基于在泳囊中上下浮动的鱼的潜水艇。
1841年，英国生物学家理查德·欧文（Richard Owen）在菲律宾附近发现了一种新的海绵物种。它复杂的骨架结构使他感到惊讶。
他写道：“这种动物就像精美的聚宝盆。它由坚硬，发亮和有弹性的线织成，类似于从玻璃上纺出的细毛。
这种海绵生物被称为Eupletellaaspergillum。它的骨骼确实是由玻璃制成的，而且，实际上，它们是由海绵从海水中提取的酸合成而成的。
此外，它还有一个很好的昵称，叫做“金星”。花篮。
” 180年后，科学家仍然对这种独特的海绵生物感到惊讶。例如，它具有惊人的使用寿命，可以存活数千年；它可以使光以光纤的形式穿过硅丝。
近二十年来，哈佛大学的一组生物学家，材料科学家和工程师一直在研究这种海绵生物，并探索其玻璃骨架的复杂结构。他们最近的一项实验研究表明，它的骨头是如此坚固，以至于几乎无法被破坏。
“这有点像工程设计的圣杯。”亚利桑那州立大学工程副教授DhruvBhate说。
这种海绵骨架的强度来自其独特的格子图案。早在20年前，这种结构就首次吸引了哈佛大学材料科学家和化学家乔安娜·艾森伯格（Joanna Aizenberg）的兴趣，艾森伯格（Aizenberg）最新研究的合著者之一凯蒂亚·贝托迪（Katia Bertodi）看到了这种独特的结构后就着迷格子图案。
生活。 “这是周期性架构，但绝不是简单的架构。
”贝尔托迪说。他们说，构成这个独特骨架的玻璃横梁和桁架有很多共同点。
我相信每个人都知道，桁架是用于稳定桥梁和摩天大楼的横梁的组合。一个多世纪以来，工程师首选的桁架设计是坚固的网格-由正方形网格和对角线在两个方向上延伸以增加支撑力组成。
“我们一直以相同的方式执行此操作，”该团队的研究生Matheus Fernandes说。但是，这种海绵的骨架具有成对的双向对角线，而不是单个十字线跨过典型的桁架。
这些线对彼此分开，因此网格看起来像棋盘格，对角线每隔一个正方形交叉一次。 Figure ｜研究人员使用计算机模拟晶格的力（来源：Quantum杂志）研究人员基于此海绵骨架制作并模拟了晶格模型，并将其与其他三个重量相同的晶格结构（包括标准桁架）进行了比较。
进行比较。在模拟和实验中，他们发现仿生晶格在破裂之前承受的压力最大，首先是在一个方向上压缩，然后在另一个测试中是从三个点的反向压力。
在进一步的模拟中，研究人员更改了对角线的数量，间距和厚度，以找到可以承受最大压缩力的晶格。费尔南德斯说：“通过增加对角线，海绵格比传统桁架具有更多的接缝，并且接缝之间的距离更短，这使得结构在屈曲之前能够承受更大的压缩。
”该工作人员还在海绵的启发下，为其创造的晶格申请了专利。从理论上讲，在不增加重量的情况下增加建筑结构的强度可以使桥梁更长，基础设施更轻，运输更方便，甚至可以简化航天器的工程设计。
普渡大学（Purdue University）土木工程学教授Pablo Zavattieri说：“经过数百万年的演变，反复试验的过程产生了更好的材料。”然而，就这种海绵而言，其骨不可压缩性的进化目的尚未实现。
清除。众所周知，海绵通常生活在几公里的深海中，那里的水压很高，但这种压力来自各个方向，并被均匀地压在海绵骨玻璃梁的两侧，从而抵消了自己的压力。
“海绵不受挤压力”。美国亚利桑那州立大学的生物学家克林特·佩尼克（ClintPenick）说。
佩尼克说，海绵的确需要坚固的结构才能站立并过滤浮游生物，