Saat menyebutkan frasa "spons laut", seseorang mungkin memiliki gambaran tentang karakter kartun yang sangat populer di kepalanya. Namun, karyawan terbaik Krusty Krab tidak ada hubungannya dengan prototipe aslinya. Secara visual, berbagai jenis spons laut terlihat berbeda: amphorae Yunani kuno, alat musik tiup yang rumit, cabang pohon kering, bunga mewah, dll. Tetapi di balik penampilan luarnya terdapat struktur seluler yang sangat kompleks yang telah menarik perhatian komunitas ilmiah selama beberapa tahun sekarang. Para peneliti di Universitas Harvard baru-baru ini menemukan bahwa fitur struktural spons laut dapat menjadi inspirasi untuk gedung pencakar langit yang lebih kuat dan lebih tinggi, jembatan yang lebih panjang, dan pesawat ruang angkasa ultralight. Mengapa struktur spons laut itu unikapa karakteristik mekanisnya, dan apa hasil prototipe yang dibuat berdasarkan data yang diperoleh? Kami akan menemukan jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.
Dasar penelitian
Ada sekitar 8000 spesies spons laut di dunia, namun penelitian ini berfokus pada spons sinar enam ( Hexactinellida ). Spons jenis ini juga sangat beragam, dengan sekitar 600 spesies. Mereka hidup di laut pada kedalaman dari 5 hingga lebih dari 6000 meter.
Spons enam sinar mendapatkan namanya dari struktur kerangkanya, yang terdiri dari jarum silikon enam sinar, yang terletak di tiga bidang yang saling tegak lurus.
Bentuk tubuh Hexactinellida bisa sangat berbeda: tubular, goblet, lumpy, processous, lobed, dll. Terlepas dari perbedaan visual, komposisi tubuh semua spesies cukup mirip. Basis tubuh adalah satu syncytium * .
* — , .Diagram saja sudah cukup untuk memahami mengapa spons kaca bisa sangat berguna dalam arsitektur atau konstruksi jembatan.
(Hexactinellida): — ; - — ; — ; — .
Dalam studi ini, para ilmuwan meneliti sistem kerangka termineralisasi spons Euplectella aspergillum (keranjang bunga Venus), yang memiliki arsitektur hierarki yang unik dan kekuatan mekanik pada banyak skala panjang.
Euplectella aspergillum (tampilan atas).
Elemen kerangka vitreous (spikula) E. aspergillum terdiri dari inti protein pusat yang dikelilingi oleh lapisan konsentris berselang-seling dari nanopartikel silika terkonsolidasi (silikon dioksida, SiO 2) dan lapisan organik tipis. Spikula diatur untuk membentuk kotak persegi, diperkuat oleh dua set penyangga diagonal berpasangan yang berpotongan, menciptakan pola seperti papan catur dari sel terbuka dan tertutup yang bergantian.
Gambar # 1
Sebelumnya, pengaruh arsitektur spikula multilayer pada perlambatan perambatan retak dan pada peningkatan kekuatan lentur telah diteliti, tetapi potensi keuntungan mekanis dari kisi persegi dua diagonal dari spikula belum mendapat banyak perhatian.
Para ilmuwan ingat bahwa kisi-kisi bersel terbuka seperti yang ditemukan pada sistem kerangka E. aspergillumumumnya digunakan dalam konteks teknik karena bobotnya yang lebih ringan, penyerapan energi yang tinggi, dan kemampuan untuk mengontrol perambatan gelombang akustik dan panas. Sebagai aturan, properti dan fungsionalitas bentuk geometris semacam itu bergantung pada jenis dan karakteristik koneksi node mereka (titik persimpangan).
Misalnya, jumlah minimum enam node diperlukan untuk kisi dua dimensi yang tegangannya dominan, sehingga mencapai rasio kekuatan-terhadap-berat yang lebih tinggi untuk aplikasi struktural. Tetapi kisi-kisi dengan geometri persegi sederhana (dengan empat sambungan simpul) agak tidak stabil jika vektor beban memiliki komponen melintang, sehingga sambungan diagonal diperlukan untuk stabilisasi.
Dalam pekerjaan yang sedang kita bahas hari ini, para ilmuwan menggunakan kerangka E. aspergillum sebagai dasar untuk menciptakan arsitektur kisi persegi yang kokoh secara mekanis. Selama penelitian, metode eksperimental dan analisis numerik digunakan untuk menentukan sifat mekanik kisi kerangka spons.
Hasil penelitian
Untuk lebih memahami keuntungan mekanis dari arsitektur kerangka spons, perbandingan karakteristik geometri dibuat dengan tiga kisi dua dimensi lainnya dengan alas persegi (keempat memiliki volume yang sama, yaitu jumlah bahan yang sama).
Pada masing-masing struktur ini, arsitektur bujur sangkar terdiri dari elemen-elemen dengan panjang L dan penampang persegi panjang yang ditandai dengan kedalaman H yang cukup besar untuk menghindari deformasi out-of-plane.
Opsi A, yang terinspirasi oleh spons laut, terdiri dari elemen horizontal dan vertikal (off-diagonal) dengan ketebalan T A, nd = 0,1 L dan dua set diagonal ganda paralel dengan ketebalan T A, d= 0,05 L terletak pada jarak S = L / (√2 + 2) dari node ( 2 ).
Gambar # 2
Opsi B juga didasarkan pada arsitektur spons dengan T B, nd = 0,1 L, tetapi hanya berisi satu diagonal dengan ketebalan T B, d = 0,1 L, melintasi setiap sel tertutup ( 2b ).
Opsi C (T C, nd = 0,1 L) didasarkan pada arsitektur yang digunakan dalam aplikasi teknik modern, memiliki satu set balok diagonal bersilang dengan ketebalan T C, d = 0,05 L di setiap sel ( 2c ).
Opsi D tidak memiliki tulangan diagonal, dan member horizontal dan vertikalnya adalah T D, nd = 0.1L (1 + 1 / √2) (2d ).
Pertama-tama, respons mekanis di bawah kompresi uniaksial sepanjang elemen vertikal dari empat opsi kisi yang dijelaskan di atas dianalisis.
Sampel yang berisi mosaik 6x6 sel persegi dengan L = 1,5 cm dan H = 4 cm dibuat pada printer 3D Connex500 (Stratasys). Kompresi uniaksial dilakukan menggunakan perangkat Instron (model 5969) dengan load cell 50 kN ( 2e ).
Pada grafik 2fmenunjukkan kurva tegangan-regangan dari mana dua kesimpulan utama dapat ditarik. Pertama, semua desain tulangan diagonal (opsi A, B, dan C) memiliki respon elastis awal yang hampir sama, menunjukkan bahwa desain tulangan diagonal yang berbeda tidak mempengaruhi kekakuan awal keseluruhan struktur. Opsi D, seperti yang diharapkan, menunjukkan kekakuan awal yang lebih tinggi karena member vertikal dan horizontal yang lebih tebal.
Kedua, semua kurva menunjukkan kapasitas dukung beban maksimum yang jelas, dengan struktur A (varian yang terinspirasi oleh spons) mengambil beban tertinggi.
Karena setiap beban maksimum berhubungan dengan permulaan tekuk, para ilmuwan menyimpulkan bahwa desain A memiliki tegangan tekuk kritis tertinggi dari semua opsi tekuk yang dipertimbangkan.
Selain itu, ditemukan bahwa pada ketiga struktur dengan diagonal, dinamika setelah kehilangan stabilitas menyebabkan transformasi struktur yang homogen di seluruh sampel ( 2e ).
Tetapi dalam varian D, mode kritis menghasilkan panjang gelombang yang jauh lebih panjang daripada ukuran sel persegi, yang, setelah kehilangan stabilitas, menyebabkan pembentukan bentuk yang secara kualitatif mirip dengan balok lengkung yang dikompresi.
Untuk memahami bagaimana desain kisi yang terinspirasi spons menghasilkan peningkatan mekanis yang signifikan, simulasi elemen hingga dilakukan menggunakan perangkat lunak ABAQUS / Standard.
Untuk pemodelan, geometri dibangun menggunakan elemen balok Timoshenko (elemen tipe ABAQUS B22), dan reaksi material direkam menggunakan model material mampat dengan modulus geser μ = 14,5 MPa.
Proses pemodelan terdiri dari tiga tahap:
- analisis tekuk;
- kemudian gangguan diterapkan ke node grid dalam bentuk mode tekuk terendah;
- analisis nonlinier statis untuk mengevaluasi respons nonlinier pada deformasi besar.
Grafik 2f menunjukkan kesesuaian yang sangat erat antara hasil numerik dan eksperimen.
Selanjutnya, model elemen hingga sengaja diperluas untuk mempelajari pengaruh arah beban. Untuk mengurangi biaya komputasi dan menghilangkan efek tepi, periodisitas struktur digunakan dan respons elemen volume perwakilan (RVE) dengan kondisi batas periodik yang sesuai diselidiki.
Gambar No. 3
Pada 3amenunjukkan perubahan dalam kekakuan struktur efektif (E) tergantung pada sudut beban (θ). Diketahui bahwa kekakuan semua struktur yang mengandung tulangan diagonal praktis sama untuk setiap sudut beban. Fakta ini semakin menegaskan bahwa kekakuan struktur terutama ditentukan oleh jumlah material yang didistribusikan di sepanjang arah beban.
Hasilnya, struktur D, di mana semua material diklasifikasikan sebagai elemen off-diagonal, menunjukkan kekakuan tertinggi pada θ = 0 °, tetapi memiliki daya dukung yang dapat diabaikan pada θ = 45 °.
Selanjutnya dipelajari pengaruh θ terhadap karakteristik tekuk struktur A - D Tegangan tekuk kritis efektif (̅σ cr) desain A lebih tinggi dari desain tulangan diagonal lainnya (desain B dan C) untuk semua nilai θ ( 3b ). Konstruksi D mengungguli konstruksi A dalam interval 27 ° <θ <63 °, dengan asumsi bahwa konstruksi ini tidak terbatas. Namun, mengingat perilaku tekuk global untuk struktur D, karakteristik tersebut sebagian besar dipengaruhi oleh efek batas dan tegangan tekuk kritis berkurang secara signifikan saat mempertimbangkan struktur dengan RVE ( 3d ) berukuran 10x10 . Selain itu, geometri struktur A mempertahankan kekokohannya bahkan setelah modifikasi pada kisi dengan memasukkan tingkat ketidakteraturan yang berbeda, yang konsisten dengan ciri-ciri yang diamati pada kerangka spons laut.
Simulasi di atas dan hasil pengujian aktual dengan jelas menunjukkan bahwa Opsi Desain A, berdasarkan kerangka spons laut, secara jelas mengungguli pesaingnya (Opsi B, C, dan D). Namun, pengujian tidak selesai pada ini, karena para ilmuwan bertanya-tanya apakah mungkin untuk membuat struktur yang lebih baik.
Untuk tujuan ini, masalah optimasi dirumuskan bertujuan untuk menentukan jumlah (N) elemen diagonal dari kisi persegi, yang akan memungkinkan mencapai tegangan tekuk kritis yang lebih tinggi. Diperlukan juga untuk menetapkan jarak antara elemen-elemen ini dan simpul-simpul sambungan kisi S i (di mana i = 1, 2, ..., N), serta rasio elemen diagonal dan off-diagonal λ = V nd / V d (Vnd dan V d adalah volume elemen off-diagonal dan diagonal). Semua variabel ini dalam satu atau lain cara mempengaruhi indikator tegangan lentur.
Selama pengujian, struktur RVE 3x3 mengalami kompresi uniaksial sejajar dengan elemen off-diagonal (θ = 0 °). Fungsi tujuan Z = ̅σ cr dimaksimalkan menggunakan pemodelan elemen hingga dalam hubungannya dengan implementasi Python dari algoritma evolusi adaptasi matriks kovarians (CMA-ES). Untuk setiap set data masukan yang ditentukan oleh CMA-ES, analisis tekuk dilakukan dengan metode elemen hingga untuk mendapatkan ̅σ cr , yang selanjutnya digunakan untuk memperkirakan fungsi tujuan Z.
Tujuh pengoptimalan yang berbeda dilakukan, yang masing-masing dianggap sebagai bilangan bulat tetap dari elemen diagonal N dalam rentang dari satu sampai tujuh (N = ℤ ϵ [1, 7]). Untuk memastikan kesimetrisan sistem, aturan berikut diperhitungkan: S 2i - 1 = S 2i (i = 1, 2, ..., N / 2), jika N adalah bilangan genap; S 1 = 0 dan S 2i - 1 = S 2i (i = 2, 3, ..., (N - 1) / 2) jika N ganjil.
Gambar №4
Grafik 4a menunjukkan nilai tertinggi ̅σ cr , model tertentu CMA-ES untuk semua nilai yang dianggap N. Ditemukan bahwa nilai tertinggi ̅σ crhanya 9,55% lebih tinggi daripada desain A yang diuji sebelumnya.Dalam pengujian ini, desain simulasi juga terinspirasi oleh spons laut: dua diagonal terletak pada jarak S = 0,1800 L dari node, dan distribusi volumenya sedemikian rupa sehingga λ = 0,6778). Hasil simulasi telah berhasil dikonfirmasi secara eksperimental ( 4b ).
Para ilmuwan mencatat bahwa struktur kerangka spons laut E. aspergillum adalah inspirasi yang bagus untuk lebih dari sekedar arsitektur kisi (konstruksi A). Untuk mendemonstrasikan hal ini, gambar 5a menunjukkan mozaik jaring persegi berukuran 11x2 yang dikenai tegangan tekuk tiga titik.
Gambar # 5
Sebagai percobaan ( 5b) dan simulasi elemen hingga menunjukkan bahwa desain yang terinspirasi oleh spons lebih kaku dan dapat menangani beban 15% lebih tinggi pada berbagai perpindahan yang diterapkan.
Untuk pengenalan yang lebih mendetail tentang nuansa penelitian ini, saya menganjurkan agar Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan padanya.
Epilog
Alam selalu, sedang dan akan menjadi salah satu sumber inspirasi utama bagi penelitian ilmiah. Dalam karya ini, pernyataan ini dikonfirmasi oleh contoh spons laut dari spesies Euplectella aspergillum, yang struktur kerangkanya memiliki karakteristik yang mengagumkan. Ciri utamanya adalah struktur biologis ini mampu menahan beban yang signifikan, sementara jumlah material minimum yang terlibat dalam konstruksinya. Dengan kata lain, spons laut cukup berpori (secara kasar), tetapi sangat tahan lama.
Studi tersebut menunjukkan bahwa arsitektur kerangka spons laut dapat sangat berguna dalam berbagai bidang aktivitas manusia. Pengenalan arsitektur spons laut dalam konstruksi akan memungkinkan terciptanya gedung pencakar langit yang lebih tinggi dan jembatan yang lebih panjang, sementara jumlah material yang optimal akan digunakan, dan kekuatan struktur yang sudah jadi tidak akan terpengaruh. Teknik ini juga dapat digunakan pada konstruksi pesawat terbang, pembuatan kapal bahkan pada astronotika, karena meminimalkan massa kapal akan meminimalkan konsumsi bahan bakar.
Jumat off-top:
Euplectella aspergillum ( , EV Nautilus 2014 ).
Euplectella aspergillum ( , EV Nautilus 2014 ).
Terima kasih atas perhatiannya, tetap penasaran dan semoga akhir pekan Anda menyenangkan, guys! :)
Sedikit iklan
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, cloud VPS untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server level awal yang kami ciptakan untuk Anda: The Whole Truth About VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps dari $ 19 atau bagaimana membagi server dengan benar? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Apakah Dell R730xd 2x lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - Dari $ 99! Baca tentang Bagaimana membangun infrastruktur bldg. kelas dengan menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 dengan biaya € 9.000 untuk satu sen?