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当我们想到海绵的时候，往往会想到柔软和黏着感。但是来自哈佛大学约翰·A·保尔森工程和应用科学学院(SEAS)的研究人员正在利用来自海洋海绵玻璃骨架的灵感以建造下一代更坚固更高的建筑、更长的桥梁及更轻的航天器。
一篇发表在《自然材料》的新论文中,研究人员介绍了Euplectella aspergillum，这是一种深海海绵，它具有对角线加固的方形网架骨架结构，比几个世纪以来用于建筑和桥梁建造的传统网架结构具有更高的强度重量比。
“我们发现在给定的材料量下，海绵的对角加固策略可以获得最高的抗屈曲性能,这意味着可以通过对现有材料结构的智能重排结来建造更强更有弹性的结构。”Matheus Fernandes说,他是SEAS的一名研究生，也是论文的第一作者。
James Weaver说：“在许多领域，如航空航天工程，结构的强度重量比是至关重要的。”他是海洋研究所的资深科学家，也是该论文的通讯作者之一。“这种受生物启发的几何形状可以为设计更轻盈、坚固的结构提供广泛的应用路线图。”
如果你曾经路过一座有顶棚的桥或组装过一个金属存储架，你就知道对角结构的样子了。这种类型的设计使用许多小的、间隔紧密的对角梁均匀分散施加荷载。19世纪初，建筑师和土木工程师Ithiel Town申请了这种几何形状的专利，他希望能用轻质廉价材料建造坚固桥梁。
“Town开发的这种简单、经济有效的稳定方法，即方形格子结构至今仍在使用。”Fernandes说，“这种方法是有效的，但并非最好的，它导致了材料的浪费和冗余，并限制了建造的高度。推动这项研究的主要问题之一是，我们能否从材料分配的角度使这些结构更高效，最终使用更少的材料来实现同样的强度?”
幸运的是，玻璃海绵，也就是Euplectella aspergilles一族（也被称为阿氏偕老同穴）——有着领先了近5亿年的研发经验。为了支撑其管状体，Euplectella aspergillum使用两套平行的对角骨架支柱，交叉并融合到一个下方的正方形网格中，形成一个健壮的棋盘状图案。
复合渲染，从左边的玻璃海绵骨架过渡到右边的焊接钢筋基晶格，突出了该研究受到的生物学灵感启发。图片由Peter Allen, Ryan Allen和James C. Weaver/Harvard SEAS提供
Weaver说:“20多年来，我们一直在研究海绵骨骼系统的结构-功能关系，这些物种仍然在给我们带来惊喜。”
在模拟和实验中，研究人员重复了这种设计，并将海绵的骨架结构与现有的晶格几何结构进行了比较。海绵的设计超过了所有的设计，可以承受更重的荷载而不弯曲。研究人员发现，成对平行的交叉对角线结构将整体结构强度提高了20％以上，且无须ac添加额外的材料就能实现这一效果。
一种深海海绵Euplectella aspergillum的骨架形态。资料来源:Matheus Fernandes/Harvard SEAS
SEAS的应用力学教授，也是这项研究的通讯作者Katia Bertoldi，William和Ami Kuan Danoff 表示：“我们的研究表明，从海绵骨骼系统的研究中汲取的经验教训可以用来构建经几何优化以延缓屈曲的结构，这对改进现代基础设施应用中的材料使用具有重大意义。”
翻译：曾欣欣
审校：董子晨曦
引进来源：哈佛大学约翰·A·保尔森工程和应用科学学院
本文来自：中国数字科技馆
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