Sfruttare la natura: Il potere della progettazione di reti bio-ispirate nell'ingegneria moderna

Esplora il potenziale di trasformazione del design delle reti bio-ispirate, traendo insegnamenti dalla natura per creare materiali e strutture avanzati per reti sportive. Scopra le applicazioni negli attrezzi sportivi, nei materiali compositi e nei design innovativi, migliorando la resistenza, la durata e l'assorbimento di energia.

Reti bio-ispirate: imparare dal design della natura

Questo articolo comprende un'introduzione che offre una panoramica sul design delle reti bio-ispirate e sulla sua importanza nell'innovazione. Poi approfondisce la biomimetica e gli attrezzi sportivi, discutendo gli analoghi della seta degli insetti, le trasformazioni sottostanti e la ritenzione di energia. La sezione successiva esplora i compositi bio-ispirati, evidenziando i compositi di fibre naturali, le trasformazioni strutturali e la ritenzione di energia. In seguito, l'attenzione si sposta sui materiali bio-ispirati, con le ragnatele come modelli per il design, il loro utilizzo nei test di impatto e le sezioni trasversali rotonde ispirate agli insetti.

La discussione riguarda poi vari pannelli sandwich a nido d'ape stratificati, sottolineando i progetti ispirati ai piedi di pony, i sistemi progressivi a ragnatela e le strutture ispirate alle strisce di pomelo. Infine, la conclusione riassume i risultati e suggerisce le direzioni future nella progettazione di reti bio-ispirate, seguita da una sezione FAQ che affronta le domande chiave relative alla biomimetica, ai tipi di progetti bio-ispirati, alle industrie applicabili e alle tecniche di produzione additiva.

Il piano bio-ispirato attira la motivazione dalla natura per risolvere le difficoltà di progettazione. La natura ha resistito per miliardi di anni, migliorando i piani attraverso il progresso. Dalla seta esatta dell'insetto alle colline delle termiti, la natura offre accorgimenti che migliorano la forza e la robustezza. Attualmente, l'intelligenza simulata bio-ispirata lavora con l'acquisizione della natura attraverso la visualizzazione computazionale e l'età di nuovi piani. Questo approccio ha applicazioni in reti barriera per lo sport progettazione, meccanica avanzata e altro ancora, interpretando gli standard normali in innovazione. Imitando strutture biologiche come la seta degli insetti e le conchiglie striscianti, il piano delle reti bio-ispirate può dare origine a nuovi materiali di esecuzione superiori.

Biomimetica e attrezzatura atletica

Analoghi della seta degli insetti

La seta degli insetti è forse il materiale di rete bio-ispirato più solido della natura. Mostra una rigidità equivalente a quella dell'acciaio, ma è più leggera e molto più dura. La sua microstruttura discreta di aree simili al vetro impiantate in una struttura proteica nebulosa conferisce forza e adattabilità. Gli scienziati hanno imitato la seta degli insetti utilizzando nanofibre composite elettrofilate contenenti policaprolattone e nanocristalli di cellulosa per sviluppare ulteriormente la resistenza.

Trasformazione di base

I modelli regolari spesso sopportano l'usura attraverso aggiornamenti primari e non di materiale. Le ossa resistono a carichi monotoni grazie a cambiamenti compositivi, come i filamenti di collagene che rafforzano la rete. Inoltre, le trasformazioni primarie nelle attrezzature sportive sviluppano ulteriormente la robustezza, come i tubi ispirati al bambù, resistenti alla chiusura grazie alla diffusione delle fibre di pendenza.

Ritenzione di energia

La ricerca sulla fibra semplice di seta di insetto ha scoperto una straordinaria ritenzione di energia e rigidità esplicita. Anche i legamenti normali hanno mostrato una forza straordinaria reti sportiveNonostante i legamenti associno i muscoli alle ossa per la trasmissione della forza. Le reti bio-ispirate legamenti che coinvolgono le fibre per la ritenzione di materiale difensivo sviluppano ulteriormente la dispersione di energia durante le influenze.

Compositi bio-ispirati

Compositi a fibre normali

I filamenti vegetali, come i compositi di iuta, lino e canapa, hanno mostrato proprietà meccaniche superiori a quelle dei filamenti di vetro, con spessori inferiori. I compositi unidirezionali sisal/ epossidico hanno raggiunto rigidità e solidità simili a quelle del vetro E/ epossidico. La normale ibridazione prodotta ha sfruttato le qualità, alleviando le carenze.

Trasformazione primaria

Alcuni materiali di rete bio-ispirati sopportano la pressione attraverso le pendenze delle proprietà meccaniche. I gruppi vascolari di bambù hanno mostrato un aumento della resistenza verso l'esterno con la diminuzione della porosità. I compositi biomimetici rispecchiano il bambù consolidando le microsfere vuote a porosità graduata nell'epossidico, migliorando la variazione primaria.

Ritenzione di energia

Sono stati esaminati compositi progressivi bio-ispirati, ad esempio tubi sovrapposti ispirati al legno. Queste camere miniaturizzate rivestite, inserite in camere più grandi su larga scala, hanno trattenuto 40% più energia rispetto ai contenitori omogenei di massa equivalente. Gli angoli sottostanti simili a strisce di pomelo nei tubi di schiuma di alluminio aumentano la robustezza, espandendo la ritenzione di energia di 1,5 volte.

Materiali bio-ispirati

Le ragnatele come modelli per il piano

Cobwebs ha snellito la resistenza e la solidità attraverso esempi matematici. I loro progetti complicati sono stati ispirati da ricostruzioni computazionali di elementi liquidi e dalla razionalizzazione della geografia. Le reti stampate in 3D di ispirazione biologica hanno sviluppato ulteriormente la solidità 37% rispetto alle griglie a nido d'ape standard.

Ragnatele per i test d'effetto

Le reti di insetti ispirate da disegni infinitesimali hanno diretto il piano di influenza anisotropico stampato in 3D sicuro materiali della rete sportiva. I confini matematici hanno personalizzato l'assimilazione dell'energia. Le organizzazioni di filamenti di vetro stampati hanno assorbito la maggior parte dell'energia.

Segmenti trasversali rotondi ispirati agli insetti

I tubi stampati in 3D ispirati all'elitra strisciante con i consueti segmenti trasversali esagonali, tripartiti e rotondi sotto l'arco. I segmenti trasversali rotondi hanno ampliato la solidità migliorando le aree esagonali. Gli esagoni standard hanno prodotto circa 50% della solidità degli esagoni disposti arbitrariamente, a causa dello spessore anisotropo della parete della cella.

Vari pannelli sandwich a nido d'ape livellati

Piani ispirati al piede di pony

La struttura del piede di pony ha ispirato le reti a nido d'ape bio-ispirate provate sotto pressione. L'aggiunta di flussi e riflussi rotondi alle pareti a nido d'ape ha migliorato l'assimilazione dell'energia. L'espansione dello spessore delle pareti ha inoltre ampliato la potenza massima e l'assimilazione dell'energia.

Sistemi Cobweb Progressive

La ragnatela di prova ispirata a vari favi livellati ha mostrato una maggiore assimilazione di energia esplicita rispetto ai favi standard. La prima richiesta di sistema progressivo ha sviluppato ulteriormente la ritenzione 62,1% e la seconda richiesta 82,4% senza alcuna diminuzione dello spessore centrale.

Ordine ispirato alla striscia di pomelo

L'organizzazione vascolare della striscia di pomelo, ispirata al nuovo centro a nido d'ape progressivo, ha mostrato un'ingestione di energia esplicita e una pressione di livello 1,5 volte superiore rispetto ai nidi d'ape standard sotto pressione fuori dal piano, grazie alla densificazione del centro e alla porosità della pendenza.

Conclusione

Il presente lavoro ha esaminato progetti di reti permeabili di ispirazione biologica, dal bambù, al legno, alle zampe di cavallo, alle ragnatele e alle strisce di pomelo. Le loro proprietà intrinseche hanno spinto i piani biomimetici a tentativi e matematici. I piani progressivi hanno migliorato in modo affidabile le proprietà. I piani bio-ispirati da modelli cellulari, compositi e pannelli sandwich hanno mostrato un ulteriore sviluppo della resistenza, della solidità e dell'assorbimento di energia. Il lavoro futuro può far progredire i piani, studiare diverse specie e livelli di complessità, applicando una razionalizzazione multi-obiettivo e multi-scala. Insieme alla produzione di sostanze aggiuntive, i piani bio-ispirati possono creare progetti leggeri multifunzionali su misura.

Domande frequenti

D: Che cos'è la biomimetica/bioispirazione?

R: La biomimetica, o bioispirazione, allude al modo più comune di rispecchiare i piani e le idee rintracciate in natura per prendersi cura dei problemi umani. Si tratta di concentrarsi sulle strutture, i cicli e gli ambienti biologici per sviluppare nuovi materiali, gadget e design. L'obiettivo è quello di riprodurre la competenza, la flessibilità e la supportabilità rintracciate nelle strutture normali attraverso le soluzioni meccaniche.

D: Quali tipi di design possono essere bioispirati?

R: Un ampio assortimento di disegni regolari fungono da motivazione, tra cui tubi, favi, spume, sezioni trasversali, e da lì il cielo è il limite. I modelli includono steli di bambù, ossa, venature del legno, seta di insetti e ali di farfalla. I ricercatori li studiano su scala miniaturizzata/nano per capire le loro proprietà e i piani di ripetizione. artificialmente.

D: Quali aziende utilizzano piani di ispirazione biologica?

R: I piani di reti bio-ispirate hanno applicazioni in settori come l'aviazione, i trasporti, la biomedicina, l'energia e la protezione. I modelli ricordano le schiume metalliche ispirate alle ossa per l'avionica, i compositi simili al legno per le automobili e la meccanica avanzata ispirata agli insetti sotterranei per la ricerca e il salvataggio. Anche i vantaggi sostenibili della biomimetica stanno spingendo il suo utilizzo.

D: Quali strategie di fabbricazione di sostanze aggiunte vengono utilizzate?

R: Le tecniche tipiche per stampare in 3D piani bioispirati includono l'espulsione di materiale, il volo di materiale, la polimerizzazione del serbatoio, lo streaming di elementi di fissaggio e la combinazione di letti di polvere. La strategia dipende dal materiale, dalla matematica e dalla scala di creazione. La stampa multi-materiale e la stampa di fibre nonstop funzionano anche con piani biomimetici complessi.