الملخص:
طوّر باحثون من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، وجامعة هارفارد، وجامعة إسطنبول للفنون التطبيقية في تركيا طريقة لتصميم المواد الخارقة تأخذ في الاعتبار قدرة تحمل الأحمال وأداء السوائل، بالاعتماد على الهيكل العظمي للإسفنجة الزجاجية الموجودة في أعماق البحار "Euplectella aspergillum". لا يركز البحث، المنشور في مجلة Nature Communications، على تكرار الإسفنجة نفسها، بل على ترجمة هندستها الشبكية القوية وخفيفة الوزن إلى هياكل هندسية محسنة حسابيًا.
إطار سلة فينوس مصنوع من السيليكا الشبيهة بالزجاج. تشكل الإطارات الطولية والمحيطية والأقواس القطرية المتقاطعة والأنماط الحلزونية الخارجية معًا شبكة معقدة، مما يسمح لها بمقاومة ضغط وتيارات أعماق البحار وتوجيه المياه عبر الجسم أو حوله. ويأمل فريق البحث في التعلم من هذا الهيكل وحل التناقضات الشائعة في التصميم الهندسي: يجب أن تكون المادة خفيفة قدر الإمكان وتستخدم أقل قدر ممكن من المواد، وفي الوقت نفسه تكون قوية بما يكفي لتقليل المقاومة والاهتزاز الناجم عن تدفق الرياح أو الماء.
ولتحقيق هذه الغاية، استخدم الفريق تحليل العناصر المحدودة لتقييم القوة الهيكلية، وديناميكيات الموائع الحسابية لمحاكاة التدفق، ثم استخدم خوارزمية تحسين بايزي متعددة الأهداف لفحص وضبط مئات الحلول الهندسية تلقائيًا. تتضمن أهداف التحسين زيادة حمل الإبزيم الحرج للهيكل وتقليل تقلبات سحب السوائل ورفعها ورفعها؛ ويرتبط الأخير بتساقط الدوامة والاهتزازات التي تحدثها. استخدم الباحثون بعد ذلك الطباعة الحجرية المجسمة لتصنيع الهياكل المختارة وتحققوا من نتائج المحاكاة من خلال تجارب الضغط وقياس سرعة صورة الجسيمات.
تظهر التجارب أنه في ظل أجزاء مختلفة من حجم المواد، يزداد حمل الإبزيم الحرج للشبكة المحسنة بحوالي 140% في المتوسط مقارنة بالتصميم الأساسي، مع تقليل السحب والرفع وتساقط الدوامة. على سبيل المثال، قال بيركلي إن الهيكل الأسطواني شبه الصلب مع نسبة فتح تبلغ حوالي 5% فقط وسلسلة من التلال الحلزونية يمكنها أيضًا قمع الاهتزازات الناتجة عن السوائل بشكل كبير دون التضحية بالاستقرار الهيكلي. وقال الباحثون إن هذه التحسينات تأتي من تحسين الهندسة ولا تزيد من حجم المادة؛ القيم ذات الصلة هي نتائج المقارنة بين الهيكل التجريبي والمخطط المعياري، ولا تعني أنه يمكن تحسين جميع المواد أو التطبيقات بالتساوي.
يعتقد الفريق أن هذه الطريقة لديها القدرة على استخدامها في الهياكل التي تحتاج إلى أن تكون خفيفة الوزن ومقاومة للأحمال ومعرضة لبيئات السوائل لفترة طويلة، بما في ذلك مكونات الطائرات، وهياكل دعم خطوط الأنابيب البحرية، والدعامات الطبية التي تساعد في الحفاظ على قنوات السوائل في الجسم. وقد يكون مناسبًا أيضًا للمنشآت الهندسية المتأثرة بالرياح، مثل المباني الشاهقة. لا يزال البحث في إطار التصميم ومرحلة التحقق من النموذج الأولي، وتتطلب التطبيقات العملية مزيدًا من الاختبارات على مواد ومقاييس وأحمال وطرق تصنيع مختلفة.
التعليقات