在提及“海海绵”一词时，某人的脑海中可能会出现非常受欢迎的卡通人物形象。但是，最好的员工Krusty Krab与他的真实原型无关。在视觉上，不同类型的海棉看起来有所不同：古希腊的安瓿，复杂的管乐器，干燥的树枝，奇特的花等。但是在外观的背后是一个极其复杂的细胞结构，多年来引起了科学界的关注。哈佛大学的研究人员最近发现，海海绵的结构特征可以为更坚固，更高的摩天大楼，更长的桥梁和超轻的航天器提供灵感。为什么海海绵的结构独特，它的机械特性是什么？根据获得的数据创建原型的结果是什么？我们将在科学家的报告中找到这些问题的答案。走。
研究依据
世界上大约有8000种海海绵，但这项研究的重点是六射线海绵（Hexactinellida）。这种海绵种类也很丰富，大约有600种。他们生活在5到6000多米深的海洋中。
六射线海绵的名称来源于其骨架的结构，该骨架由六射线硅针构成，该硅针位于三个相互垂直的平面中。Hexactinellida
的身体形状可以非常不同：管状，杯状，块状，前突，浅叶等。尽管视觉上有所差异，但所有物种的身体组成都非常相似。身体的基础是单个合胞体*。
* — , .仅凭一张图就足以理解为什么玻璃海绵在建筑或桥梁施工中如此有用。
(Hexactinellida): — ; - — ; — ; — .
在这项研究中，科学家们检查了Euplectella aspergillum海绵（维纳斯花篮）的矿化骨骼系统，该系统在许多长度尺度上具有独特的层次结构和机械强度。
紫茎泽兰（Euplectella aspergillum）（顶视图）。曲霉的
玻璃体骨骼元素（刺突）由中央蛋白核组成，周围由固结的二氧化硅纳米颗粒（二氧化硅，SiO 2）和薄有机层。针尖组织成一个正方形网格，并由两组相交的成对斜撑杆相交而加强，从而形成了类似棋盘格状的交替开闭单元格。
图像＃1
以前，已经研究了多层针状结构对减缓裂纹扩展和增加抗弯强度的影响，但是针状二对角方格的潜在机械效益并未受到太多关注。
科学家们回想起像在黑曲霉的骨骼系统中发现的那样的开孔晶格由于其重量轻，能量吸收高以及控制声波和热波传播的能力，它们通常在工程环境中使用。通常，此类几何形状的属性和功能取决于其节点（相交点）的连接类型和特征。
例如，对于以拉力为主的二维晶格，最少需要六个节点，从而在结构应用中实现更高的强度重量比。但是，当载荷矢量具有横向分量时，具有简单正方形几何形状（结连接为四个）的晶格相当不稳定，因此需要对角线连接才能稳定。
在我们今天正在考虑的工作中，科学家们将米曲霉的骨架用作创建机械坚固的方格体系结构的基础。在研究过程中，通过实验和数值分析方法确定了海绵骨架的机械性能。
研究成果
为了更好地了解海绵骨骼结构的机械优势，将其几何特征与其他三个2D方形基体的几何特征（所有四个具有相同的体积，即相同的材料量）进行了比较。
在这些结构的每一个中，基本的方形结构均由长度为L和矩形截面的元素组成，其特征是深度H足够大，可以避免面外变形。
选项A受海海绵启发，由水平和垂直（非对角线）元素的厚度T A，nd = 0.1 L和两组平行的平行双对角线，厚度T A，d组成= 0.05 L位于距节点（2）的距离S = L /（√2+ 2）处。
图像＃2
选项B也基于海绵结构，TB为nd = 0.1 L，但仅包含一个厚度为T B的对角线，d = 0.1 L，跨过每个封闭单元（2b）。
选项C（T C，nd = 0.1 L）基于现代工程应用中使用的体系结构，每个单元（2c）中都有一组交叉的对角线梁，厚度为T C，d = 0.05L。
选项D没有对角线钢筋，其水平和垂直构件为T D，nd = 0.1L（1 +1 /√2）（2d）。
首先，分析了沿上述四个晶格选项的垂直元素在单轴压缩下的机械响应。
在Connex500 3D打印机（Stratasys）上制作包含L = 1.5 cm和H = 4 cm的正方形单元的6x6镶嵌马赛克的样品。使用具有50 kN称重传感器（2e）的Instron装置（5969型）进行单轴压缩。
在图2f上显示了应力-应变曲线，从中可以得出两个主要结论。首先，所有对角钢筋设计（选项A，B和C）都具有几乎相同的初始弹性响应，这表明不同的对角钢筋设计不会影响结构的初始整体刚度。如预期的那样，由于垂直和水平构件较厚，选项D显示出较高的初始刚度。
其次，所有曲线都显示出明显的最大承重能力，其中A型结构（海绵型）承受了最大的载荷。
由于每个最大载荷都对应于屈曲的开始，因此科学家得出结论，在所有考虑的屈曲方案中，设计A的临界屈曲应力最高。
另外，发现在所有三个具有对角线的结构中，失去稳定性后的动力学导致整个样品中结构的均匀转变（2e）。
但是在变体D中，临界模式导致的波长比方形单元的尺寸长得多，这在失去稳定性之后导致形成与压缩弯曲光束定性相似的形状。
为了了解海绵启发的格子设计如何显着改善了机械性能，使用ABAQUS / Standard软件进行了有限元模拟。
为了建模，使用Timoshenko梁单元（单元类型ABAQUS B22）构建几何，并使用剪切模量μ= 14.5 MPa的不可压缩材料模型记录材料反应。
建模过程包括三个阶段：
- 屈曲分析
- 然后以最低屈曲模式的形式对网格节点施加干扰。
- 静态非线性分析，用于评估大变形下的非线性响应。
图2f显示了数值结果与实验结果之间非常接近的一致性。
此外，有意扩展了有限元模型以研究载荷方向的影响。为了减少计算成本并消除边缘效应，使用了结构的周期性，并研究了具有适当周期性边界条件的代表性体元（RVE）的响应。
图像号3
在图3a表示有效结构刚度（E）随载荷角（θ）的变化。已经发现，对于任何载荷角，所有包含对角线加强件的结构的刚度实际上都是相同的。这一事实进一步证实，结构的刚度主要取决于沿载荷方向分布的材料量。
结果，其中所有材料都归为非对角线元素的结构D在θ= 0°时表现出最高的刚度，而在θ= 45°时的承载力却可以忽略不计。
此外，θ的对结构A的屈曲特性的影响- d进行了研究有效临界弯曲应力（σ CR对于所有的θ（3b）值，设计A的）都高于其他对角钢筋设计（设计B和C）的）。假设这些构造是无限的，则构造D在27°<θ<63°的区间内优于构造A。但是，考虑到结构D的整体屈曲行为，当考虑尺寸为10x10的RVE（3d）的结构时，这些特征在很大程度上受边界效应的影响，并且临界屈曲应力显着降低。另外，结构A的几何形状甚至通过引入各种水平的无序而在对晶格进行修改之后仍保持其鲁棒性，这与在海海绵的骨架中观察到的特征一致。
以上模拟和实际测试结果清楚地表明，基于海海绵骨架的设计选项A明显优于竞争对手（选项B，C和D）。但是，测试还没有完成，因为科学家们想知道是否有可能创建一个更好的结构。
为此，提出了优化问题，旨在确定方格的对角元素的数量（N），这将允许实现更高的临界弯曲应力。还必须确定这些元素与晶格点S i（其中i = 1，2，...，N）的节点之间的距离，以及对角线元素和非对角线元素的比率λ= V nd / V d（Vnd和V d分别是非对角线元素和对角线元素的体积。所有这些变量都以一种或另一种方式影响弯曲应力指示器。
在测试过程中，对3x3 RVE结构进行了平行于非对角线元素（θ= 0°）的单轴压缩。的目标函数Z =＆Sigma; CR是在与Python实现的协方差矩阵的适应进化算法（CMA-ES）的结合使用有限元建模最大化。对于通过CMA-ES定义的每个输入数据集，进行有限元分析屈曲，以获得Σ CR，随后将其用于估计所述目标函数Z.
进行了七个不同的优化，每个优化都将对角元素N的整数固定为1到7（N = 1 [1，7]）。为了确保系统的对称性，考虑以下规则：S 2i − 1 = S 2i（i = 1，2，...，N / 2），如果N是偶数；如果N为奇数，则S 1 = 0且S 2i-1 = S 2i（i = 2，3，...，（N-1）/ 2）。
图像№4
格拉夫图4a示出了最高值σ CR，某些模型CMA-ES对于所考虑N.它的所有值被发现的最高值σ CR仅比先前测试的设计A高9.55％。在此测试中，模拟设计还受到海海绵的启发：两个对角线位于距节点S = 0.1800 L的距离处，并且体积分布使得λ= 0.6778）。仿真结果已通过实验成功地得到证实（4b）。
科学家注意到，海海绵肠曲霉的骨架结构不仅对格构结构（结构A）产生了很大的启发。为了证明这一点，图像5a显示了受到三点弯曲应力作用的11x2方形薄网格马赛克。
图片5
作为实验（5b）和有限元模拟结果表明，采用海绵启发的设计更坚固，可以在更宽的位移范围内承受15％的较高载荷。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，建议您研究一下科学家的报告和其他材料。
结语
大自然一直，现在和将来都会成为科学研究灵感的主要来源之一。在这项工作中，这种说法被大肠埃希氏菌（Euplectella aspergillum）海海绵的例子所证实，其骨架结构具有惊人的特征。主要特征是这种生物结构能够承受很大的负载，而其结构只涉及最少量的材料。换句话说，海海绵多孔性强（大致而言），但非常耐用。
研究表明，海棉骨架的结构在人类活动的各个领域中都非常有用。在建筑中引入海绵建筑将允许创建更高的摩天大楼和更长的桥梁，同时将使用最适量的材料，并且不会影响成品结构的强度。该技术还可以用于飞机制造，造船甚至是航空航天中，因为最小化船的质量将最小化燃料消耗。
周五顶峰：
Euplectella aspergillum ( , EV Nautilus 2014 ).
Euplectella aspergillum ( , EV Nautilus 2014 ).
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