来自新海绵物种的启示：简化空间飞行器的工程设计

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#111723#仿生学普遍利用于迷信范畴，比方人们依据苍蝇飞翔保持均衡的均衡棒发现了振动陀螺仪、依据蝙蝠的超声波定位发现了雷达、依据鱼通过鱼鳔上浮下沉发现了潜水艇等等，如许的例子另有良多。
1841 年，英国生物学家 Richard Owen 在菲律宾邻近发明的一种新海绵物种，其庞杂的骨架构造让他为之称奇。他写道：“这类植物就像是‘一个精巧的聚宝盆’，一个由坚固、闪亮、有弹性的线编织而成，相似于玻璃纺成的细毛。”
这海绵生物叫作 Eupletella aspergillum，它的骨骼确切是由玻璃做的，进一步讲实在是海绵从海水中提取的酸分解而来。别的，它另有一个十分难听的外号，叫 “维纳斯的花篮”。
180 年后，迷信家们依然对这类奇特的海绵生物觉得惊疑。比方它具有惊人的寿命，能存活上千年之久；可能以光纤的方法将光通过硅丝。在近 20 年里，哈佛大学的一群生物学家、资料迷信家和工程师们始终努力于研讨这类海绵生物，探索其玻璃骨架的庞杂架构。他们近来的一项试验研讨标明：它的骨骼异样牢固，以致于几近没法损坏掉。“这有点像工程计划的圣杯。” 亚利桑那州立大学工程学副教学 Dhruv Bhate 说道。
这类海绵骨架的强度起源于其奇特的晶格形式。早在 20 年前，这类构造便起首引发了哈佛资料迷信家和化学家 Joanna Aizenberg 的兴致，而 Aizenberg 近来研讨的合著者之一 katia Bertoldi，她看到这类奇特格子图案的第一眼就被它迷住了。“这是一种周期性的系统构造，但这毫不是一个简略的系统构造。”Bertoldi 说。她们表现，形成这类奇特骨架的玻璃梁与桁架有良多独特点。
信任各人都有所懂得，桁架是用来稳固桥梁和摩天大楼的梁的组合。一个多世纪以来，工程师们对桁架的首选计划就是牢固的格子 —— 由一个正方形网格构成，对角线在两个偏向上延长以增添支持。“始终以来，咱们都以雷同的方法停止这类操纵。” 团队的研讨生 Matheus Fernandes 说。
但是，这类海绵的骨架存在成对的双向对角线，而不是纵横交织在典范桁架上的单个对角线。这些线对相互离隔，因而网格看起来像棋盘格，对角线每隔一个正方形穿插一次。

图｜研讨职员用盘算机摹拟晶格的受力（起源量子杂志）
研讨职员制造并用盘算机摹拟了一个基于这类海绵骨架的格子模子，并将其与其余三个分量雷同的格子构造（包含尺度桁架图案）停止了比拟。
在摹拟和试验中，他们发明仿生晶格在断裂前蒙受了最大的压力，起首是来自一个偏向的紧缩，而后是来自另一个测试中三个点的反向压力。在进一步的摹拟中，研讨职员转变了对角线的数量、间距和厚度，以找到可能蒙受最大紧缩的晶格。Fernandes 斯说：“通过增添对角线，海绵的格子比传统的桁架存在更多的接缝，而且接缝之间的间隔更短，这能够使构造在愚昧之前蒙受更大的紧缩。”
研讨职员还正在为他们发明的这类受海绵启示而计划的晶格请求专利。在不增添分量的情形下增添建造构造的强度，实践上能够使桥梁更长、基本设备更轻、运输更便利，乃至能够乃至能够简化空间飞翔器的工程计划。普渡大学土木匠程教学 Pablo Zavattieri 说：“经由数百万年的退化，重复实验的进程发生了更好的资料。”
但是，就这类海绵而言，其骨骼弗成紧缩性的退化目标还尚不明白。众所周知，海绵平日生涯在几千米的深海，那边的水压十分大，但这类压力来自各个偏向，平均地压在海绵骨骼玻璃梁的两侧，从而对消了本身的压力。“海绵并不会遭到挤压力。” 美国亚利桑那州立大学的生物学家 Clint Penick 说。
Penick 表现，海绵确切须要牢固的构造才干站立并从水中过滤浮游生物。“他们牢固的骨骼还能够禁止天敌或避免可能与他们相撞的植物形成损害。” 他弥补道。
强盛的抗压性不是这类海绵的全体特点，它骨架的晶格壁只是其构造的几个庞杂档次之一。微观上能够研讨它的纤维是怎样在其晶格壁内产生稍微位移的，或许它的卵白质和二氧化硅份子的陈列是怎样禁止其轨道上的断裂的；微观上能够探索这类骨架怎样使海绵过滤水。
Bhate 的团队正在研讨一些线与其余线不完整相连的方法从而使骨架存在柔韧性，而且他还对这类构造承受歪曲的方法觉得猎奇。“这是你能够花一辈子时光去做的事件，但你依然没有复制全部这些才能，而这偏偏是它使人高兴的缘由。”Bhate 说。

原文题目：来自海绵骨架的启发：可简化空间飞翔器的工程计划
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