0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

来自新海绵物种的启示:简化空间飞行器的工程设计

hl5C_deeptechch 来源:DeepTech深科技 作者:DeepTech深科技 2021-02-01 09:20 次阅读

仿生学广泛应用于科学领域,比如人们根据苍蝇飞行维持平衡的平衡棒发明了振动陀螺仪、根据蝙蝠的超声波定位发明了雷达、根据鱼通过鱼鳔上浮下沉发明了潜水艇等等,这样的例子还有很多。

1841 年,英国生物学家 Richard Owen 在菲律宾附近发现的一种新海绵物种,其复杂的骨架结构让他为之称奇。他写道:“这种动物就像是‘一个精致的聚宝盆’,一个由坚硬、闪亮、有弹性的线编织而成,类似于玻璃纺成的细毛。”

这海绵生物叫作 Eupletella aspergillum,它的骨骼确实是由玻璃做的,进一步讲其实是海绵从海水中提取的酸合成而来。另外,它还有一个非常好听的绰号,叫 “维纳斯的花篮”。

180 年后,科学家们仍然对这种独特的海绵生物感到惊奇。比如它拥有惊人的寿命,能存活上千年之久;能够以光纤的方式将光通过硅丝。在近 20 年里,哈佛大学的一群生物学家、材料科学家和工程师们一直致力于研究这种海绵生物,探究其玻璃骨架的复杂架构。他们最近的一项实验研究表明:它的骨骼异常坚固,以至于几乎无法破坏掉。“这有点像工程设计的圣杯。” 亚利桑那州立大学工程学副教授 Dhruv Bhate 说道。

这种海绵骨架的强度来源于其独特的晶格模式。早在 20 年前,这种结构便首先引起了哈佛材料科学家和化学家 Joanna Aizenberg 的兴趣,而 Aizenberg 最近研究的合著者之一 katia Bertoldi,她看到这种独特格子图案的第一眼就被它迷住了。“这是一种周期性的体系结构,但这绝不是一个简单的体系结构。”Bertoldi 说。她们表示,构成这种独特骨架的玻璃梁与桁架有很多共同点。

相信大家都有所了解,桁架是用来稳定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设计就是坚固的格子 —— 由一个正方形网格组成,对角线在两个方向上延伸以增加支撑。“一直以来,我们都以相同的方式进行这种操作。” 团队的研究生 Matheus Fernandes 说。

然而,这种海绵的骨架具有成对的双向对角线,而不是纵横交错在典型桁架上的单个对角线。这些线对彼此隔开,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。

图|研究人员用计算机模拟晶格的受力(来源量子杂志)

研究人员制作并用计算机模拟了一个基于这种海绵骨架的格子模型,并将其与其他三个重量相同的格子结构(包括标准桁架图案)进行了比较。

在模拟和实验中,他们发现仿生晶格在断裂前承受了最大的压力,首先是来自一个方向的压缩,然后是来自另一个测试中三个点的反向压力。在进一步的模拟中,研究人员改变了对角线的数目、间距和厚度,以找到能够承受最大压缩的晶格。Fernandes 斯说:“通过增加对角线,海绵的格子比传统的桁架具有更多的接缝,并且接缝之间的距离更短,这可以使结构在屈曲之前承受更大的压缩。”

研究人员还正在为他们创造的这种受海绵启发而设计的晶格申请专利。在不增加重量的情况下增加建筑结构的强度,理论上可以使桥梁更长、基础设施更轻、运输更方便,甚至可以甚至可以简化空间飞行器的工程设计。普渡大学土木工程教授 Pablo Zavattieri 说:“经过数百万年的进化,反复试验的过程产生了更好的材料。”

然而,就这种海绵而言,其骨骼不可压缩性的进化目的还尚不明确。众所周知,海绵通常生活在几千米的深海,那里的水压非常大,但这种压力来自各个方向,均匀地压在海绵骨骼玻璃梁的两侧,从而抵消了自身的压力。“海绵并不会受到挤压力。” 美国亚利桑那州立大学的生物学家 Clint Penick 说。

Penick 表示,海绵确实需要坚固的结构才能站立并从水中过滤浮游生物。“他们坚固的骨骼还可以阻止天敌或防止可能与他们相撞的动物造成伤害。” 他补充道。

强大的抗压性不是这种海绵的全部特征,它骨架的晶格壁只是其结构的几个复杂层次之一。微观上可以研究它的纤维是如何在其晶格壁内发生轻微位移的,或者它的蛋白质和二氧化硅分子的排列是如何阻止其轨道上的断裂的;宏观上可以探究这种骨架如何使海绵过滤水。

Bhate 的团队正在研究一些线与其他线不完全相连的方式从而使骨架具有柔韧性,并且他还对这种结构经受扭曲的方式感到好奇。“这是你可以花一辈子时间去做的事情,但你仍然没有复制所有这些能力,而这恰恰是它令人兴奋的原因。”Bhate 说。

原文标题:来自海绵骨架的启示:可简化空间飞行器的工程设计

文章出处:【微信公众号:DeepTech深科技】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

责任编辑:haq

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 计算机
    +关注

    关注

    19

    文章

    7385

    浏览量

    87645
  • 飞行器
    +关注

    关注

    13

    文章

    714

    浏览量

    45455

原文标题:来自海绵骨架的启示:可简化空间飞行器的工程设计

文章出处:【微信号:deeptechchina,微信公众号:deeptechchina】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    基于XIAO ESP32S3的可以检测困倦的海绵宝宝

    今天为大家带来的是来自Hackster创作者Mondal3011的作品:可以检测困倦的海绵宝宝.这个装置主要是使用二氧化碳传感去进行二氧化碳浓度测试,通过识别二氧化碳来判断环境是否会造成人体困倦
    的头像 发表于 10-28 09:33 97次阅读
    基于XIAO ESP32S3的可以检测困倦的<b class='flag-5'>海绵</b>宝宝

    集成时间数字转换简化飞行时间测距应用的设计

    或多个停止脉冲之间时间的电子器件。它们集成了电子秒表必备的所有必要功能,大大简化了各种应用中飞行时间 (ToF) 的测量。这些功能是测距应用的基本功能。 例如,在超声波测距仪中,发射出的超声波脉冲和从目标接收到的回声之间的时间(图 1)与发射
    的头像 发表于 10-02 15:56 226次阅读
    集成时间数字转换<b class='flag-5'>器</b><b class='flag-5'>简化</b>了<b class='flag-5'>飞行</b>时间测距应用的设计

    利用图像处理板避障 让小型飞行器像昆虫一样灵巧

    许多小型化的飞行器类似于昆虫,凭借其机动、灵活、体积小的特点能够在复杂的环境中执行飞行任务。但是再精细化的操控,也难以做到完全避免障碍物的阻碍,因此可以采用AI图像处理板来辅助避障。AI避障中很重
    的头像 发表于 07-31 08:30 217次阅读
    利用图像处理板避障  让小型<b class='flag-5'>飞行器</b>像昆虫一样灵巧

    来自IBM THINK 2024 的六大启示

    结束。本文将本次为期四天大会的核心内容总结为"六大启示",来回答大家广泛关心的‘AI现在与未来朝什么方向发展?',‘如何让企业真正从生成式AI中获益?'两大问题,希望帮助企业近距离了解,AI从‘创新技术'走向‘商业价值'的切实方法和有效实践。 启示一、"AI从试点走向
    的头像 发表于 06-19 22:17 339次阅读

    振动传感报警系统部队军械弹药库安全防范工程设计方案YT-JB3

    振动传感报警系统部队军械弹药库安全防范工程设计方案YT-JB3
    的头像 发表于 05-24 14:00 464次阅读
    振动传感<b class='flag-5'>器</b>报警系统部队军械弹药库安全防范<b class='flag-5'>工程设计</b>方案YT-JB3

    天时地利人和!汽车飞行未来可期

    的发展无疑给汽车产业带来了更多想象空间。由中国汽车工程学会飞行汽车分会近期发布的《飞行汽车发展白皮书1.0》(以下简称《白皮书1.0》)指出,飞行
    的头像 发表于 05-24 08:09 262次阅读
    天时地利人和!汽车<b class='flag-5'>飞行</b>未来可期

    中科宇航研发太空旅行飞行器,预计2028年开展太空边缘载人旅游

    据南方+、金羊网报道,近日中科宇航宣布,已启动太空旅游飞行器研究工作,预计于2027年首次试飞,2028年正式开展载人太空边缘旅游项目。
    的头像 发表于 05-17 16:10 546次阅读

    上海峰飞航空领先全球低空飞行器领域,展望2040年

    eVTOL(Electric Vertical Take-Off and Landing)是一种电力驱动的垂直起降飞行器,常被誉为“飞行汽车”,主要满足城市内、城市间的短途飞行需求。
    的头像 发表于 04-23 09:42 933次阅读

    基于非线性自适应学习控制的四轴飞行器避障方案

    这篇文章的基本原理是通过设计一种新颖的非线性自适应学习控制,用于快递四轴飞行器的障碍物避免轨迹控制问题。该控制结合了非线性可变增益(NLVG)函数和极值搜索(ES)算法,以适应无人机快递任务中的大角度机动和负载变化。
    发表于 04-10 12:39 373次阅读
    基于非线性自适应学习控制<b class='flag-5'>器</b>的四轴<b class='flag-5'>飞行器</b>避障方案

    空中客车使用MATLAB设计基于FPGA的机载深度学习处理

    现代空间飞行器必须持续监控遥测数据,并检测或预测传感数据中的任何异常行为。
    的头像 发表于 03-28 10:21 720次阅读
    空中客车使用MATLAB设计基于FPGA的机载深度学习处理<b class='flag-5'>器</b>

    SOLIDWORKS 2024:简化和加快从概念到制造的产品开发流程

    随着科技的飞速发展,产品开发流程正在经历着变革。对于许多工程和设计团队来说,如何简化和加速从概念到制造的产品开发流程已成为提升效率、降低成本并保持竞争力的关键。SOLIDWORKS 2024,作为一款强大的工程设计软件,正以其良
    的头像 发表于 01-25 14:34 441次阅读
    SOLIDWORKS 2024:<b class='flag-5'>简化</b>和加快从概念到制造的产品开发流程

    基于RT-Thread与滑模控制的微型多旋翼定点控制系统研究

    微型飞行器在情报侦察[1]、遥感测绘[2]等领域有着极高的应用价值,而定点悬停是微型飞行器各项动作的基础,研究微型飞行器的定点悬停有着不可小觑的实用价值。
    的头像 发表于 01-15 14:07 754次阅读
    基于RT-Thread与滑模控制的微型多旋翼定点控制系统研究

    PLC控制系统的工程设计原则

    PLC控制系统的工程设计,一般可以分为系统规划、硬件设计、软件设计、系统调试、技术文件编制五个基本的步骤。
    发表于 12-29 09:36 505次阅读

    AI人工智能在建筑智能化工程设计的作用

    电子发烧友网站提供《AI人工智能在建筑智能化工程设计的作用.docx》资料免费下载
    发表于 12-26 09:37 0次下载

    基于Simulink的迷你无人机飞行控制系统设计

    Nemati 博士在日本福冈九州大学获得了航空航天博士学位,目前是布里斯托尔西英格兰大学的航电和控制讲师。他的研究方向包括自主导航和智能控制,其中涉及用于控制液压机械臂以及实现微型飞行器鲁棒稳定性的系统。
    的头像 发表于 12-14 10:32 645次阅读
    基于Simulink的迷你无人机<b class='flag-5'>飞行</b>控制系统设计