Использование природы: Сила биоинспирированного проектирования сетей в современной инженерии

Исследуйте преобразующий потенциал биоинспирированных сеток, извлекая уроки из природы для создания передовых материалов и структур для спортивные сетки. Откройте для себя применение в спортивном снаряжении, композитах и инновационных конструкциях, повышающих прочность, долговечность и поглощение энергии.

Биоинспирированные сети: учимся у природы

Эта статья включает в себя введение, в котором дается обзор дизайна биомимических сеток и его значения для инноваций. Затем рассматривается биомимикрия и спортивная экипировка, обсуждаются аналоги шелка насекомых, базовые трансформации и удержание энергии. В следующем разделе рассматриваются биомимические композиты, в частности композиты из натуральных волокон, структурные преобразования и удержание энергии. После этого внимание переключается на биовдохновленные материалы: паутина как модель для дизайна, ее использование в ударных испытаниях и круглые сечения, вдохновленные насекомыми.

Далее рассматриваются различные многослойные сотовые сэндвич-панели, особое внимание уделяется конструкциям, вдохновленным ногами пони, прогрессивным системам из паутины и структурам, вдохновленным полосками помело. Наконец, в заключении подводятся итоги и предлагаются будущие направления в разработке биовдохновленных сеток, а затем следует раздел "Вопросы и ответы", в котором рассматриваются ключевые вопросы, связанные с биомимикрией, типами биовдохновленных конструкций, применимыми отраслями и технологиями аддитивного производства.

Биоинспирированный план привлекает мотивацию природы для решения проблем проектирования. Природа на протяжении миллиардов лет улучшала планы путем совершенствования. От точного шелка жука до холмов термитов - природа предлагает проницательные механизмы, которые улучшают прочность и устойчивость. В настоящее время биоинспирированный симулятивный интеллект работает с использованием природных данных путем вычислительного отображения и создания новых планов. Этот подход находит применение в спортивные барьерные сетки Проектирование, передовая механика и многое другое, превращая обычные стандарты в инновации. Имитируя биологические структуры, такие как шелк насекомых и раковины ползучих гадов, биовдохновленные сетевые планы могут подсказать новые превосходные материалы для исполнения.

Биомимикрия и спортивная экипировка

Аналоги шелка насекомых

Шелк насекомых - пожалуй, один из самых надежных биоинспирированных сетевых материалов в природе. По жесткости он эквивалентен стали, но при этом легче и гораздо прочнее. Его дискретная микроструктура, состоящая из стеклоподобных участков, имплантированных в туманный белковый каркас, обеспечивает прочность и адаптивность. Ученые имитировали шелк насекомых, используя электропряденые композитные нановолокна, содержащие поликапролактон и нанокристаллы целлюлозы, для дальнейшего повышения прочности.

Основа преобразований

Обычные конструкции часто подвергаются износу за счет первичной обработки, а не за счет обновления материалов. Кости выдерживают однообразные нагрузки благодаря композиционным изменениям, например, коллагеновым нитям, укрепляющим сеть. Кроме того, первичные преобразования в спортивном снаряжении способствуют повышению прочности, как, например, бамбуковые трубки, прочные для застегивания благодаря распространению волокон по склону.

Удержание энергии

Исследования простых волокон шелка клопа выявили необычайно явное сохранение энергии и жесткости. Обычные связки также показали удивительную прочность спортивная сеткаНесмотря на то, что связки соединяют мышцы с костями для передачи силы. Биоинспирированные сети связок, включающие волокна для удержания защитного материала, развивают рассеивание энергии во время ударов.

Биоинспирированные композиты

Композиты из нормальных волокон

Композиты из растительных нитей, таких как джут, лен и конопля, при меньшей толщине продемонстрировали лучшие механические свойства по сравнению со стеклянными нитями. Однонаправленные композиты сизаль/эпоксидная смола достигли такой же жесткости и прочности, как и E-стекло/эпоксидная смола. Обычная гибридизация позволила использовать достоинства и уменьшить недостатки.

Первичная трансформация

Несколько биоинспирированных сетчатых материалов выдерживают давление за счет изменения механических свойств. Сосудистые группы бамбука показали увеличение прочности по мере уменьшения пористости. Биомиметические композиты из бамбука, консолидирующие пустые микросферы с градуированной пористостью в эпоксидной смоле, улучшили первичную вариативность.

Удержание энергии

Были исследованы биовдохновленные прогрессивные композиты, например, накладные трубки, вдохновленные древесиной. Эти покрытые миниатюрные камеры, размещенные в более крупных масштабных камерах, сохраняли на 40% больше энергии, чем однородные контейнеры эквивалентной массы. Помело в виде полос с углами в алюминиевых пенопластовых трубках повышает прочность, увеличивая удерживание энергии в 1,5 раза.

Биоинспирированные материалы

Паутина как модель для плана

Cobwebs обтекаемо изобразили сопротивление и твердость с помощью математических примеров. Их сложные конструкции были вдохновлены вычислительными реконструкциями жидких элементов и географическим рационализаторством. Вдохновленные биологическими факторами 3D-печатные сети еще больше повысили прочность 37% по сравнению со стандартными сотовыми решетками.

Паутина для проверки эффекта

Сети жуков, вдохновленные бесконечно малыми конструкциями, направили план анизотропного 3D-печати на безопасное воздействие материалы для спортивных сеток. Математические границы подстраивались под усвоение энергии. Организации печатных стеклянных нитей потребляли наибольшее количество энергии.

Круглые крестообразные сегменты, вдохновленные жуками

Вдохновленные жутким ползучим надкрыльем 3D-печатные трубки с обычными шестиугольными, трехгранными и круглыми поперечными сегментами, расположенными под носом. Круглые поперечные сегменты увеличили прочность, повысив ее у шестиугольников. Стандартные шестиугольники давали примерно 50% прочности от произвольно расположенных шестиугольников из-за анизотропной толщины стенок ячеек.

Разноуровневые сотовые сэндвич-панели

Планы, вдохновленные пони

Структура "конская нога" вдохновила биоинспирированные соты на испытания под давлением. Добавление круглых изгибов и потоков в стенки сот улучшило усвоение энергии. Увеличение толщины стенок дополнительно повысило верхнюю мощность и усвоение энергии.

Прогрессивные системы Cobweb

Пробные паутинистые соты с различными ярусами показали более высокую явную ассимиляцию энергии, чем стандартные соты. Прогрессивная система по первому запросу обеспечила удержание 62,1%, а по второму запросу - 82,4% без уменьшения толщины центра.

Помело Стрип Вдохновленный заказ

Сосудистая организация полоски помело, вдохновленная новым прогрессивным центром соты, показала в 1,5 раза больше явного поглощения энергии и давления на уровне, чем стандартные соты при давлении вне плоскости, из-за уплотнения центра и пористости склона.

Заключение

В этой статье рассматриваются различные биоинспирированные сетки из бамбука, дерева, лошадиных ног, паутины и полосок помело. Присущие им свойства побудили к созданию биомиметических планов, опробованных предварительно и математически. Прогрессивные планы достоверно улучшали свойства. Биомиметические планы из клеточных моделей, композитов и сэндвич-панелей показали дальнейшее развитие прочности, твердости и энергопотребления. Будущая работа может усовершенствовать планы, исследовать различные виды и уровни сложности, применяя многоцелевое и многомасштабное упорядочивание. В сочетании с дополнительным производством веществ, биовдохновленные планы могут создать индивидуальные многофункциональные легкие конструкции.

Вопросы и ответы

В: Что такое биомимикрия/биоинспирация?

О: Биомимикрия, или биовдохновение, означает наиболее распространенный способ зеркального отражения планов и идей, выслеженных в природе, для решения проблем человека. Он включает в себя концентрацию на биологических структурах, циклах и средах для создания новых материалов, приспособлений и конструкций. Цель состоит в том, чтобы воспроизвести в механических механизмах мастерство, гибкость и устойчивость, прослеживаемые в обычных структурах.

В: Какие виды дизайна могут быть основаны на биоинспирации?

О: В качестве мотивации используется широкий ассортимент обычных рисунков, включая трубки, соты, пены, поперечные сечения, а дальше - небо. В качестве моделей используются стебли бамбука, кость, древесина, шелк насекомых и крылья бабочек. Исследователи изучают их в миниатюрных/наномасштабах, чтобы выяснить их свойства и повторить планы искусственно.

В: Какие предприятия используют биоинспирированные планы?

О: Биоинспирированные сетки находят применение в таких сферах, как авиация, транспорт, биомедицина, энергетика и защита. Можно вспомнить вдохновленные костями металлические пены для авионики, деревоподобные композиты для автомобилей и вдохновленную подземными насекомыми усовершенствованную механику для поиска и спасения. Подтверждающие преимущества биомимикрии также стимулируют ее использование.

В: Какие стратегии производства дополнительных веществ используются?

О: Типичные методы 3D-печати биоинспирированных планов включают в себя выталкивание материала, полет материала, полимеризацию резервуара, поток крепежа и комбинацию порошковых слоев. Стратегия зависит от материала, математики и масштаба создания. Мультиматериальная и безостановочная волоконная печать также работают со сложными биомиметическими планами.