חומרים ביומטיים בהשראת מבנים טבעיים עבור יישומים הנדסיים

מן השריון החודר של snail עמוק הים אל פני השטח המכוסה מים של עלה טוטוס, הטבע בילה מיליארדי שנים שלמות חומרים חזקים, קלים, משקל, עצמי, ויעיל להפליא.חומרים ביומטיים הם חומרים מהונדסים כי שואבים השראה ישירה עיצובים ביולוגיים אלה, לתרגם מיליוני שנים של התפתחות לפתרונות הנדסיים גבוהים עבור למידה מודרנית, כיצד אורגניזמים מתקדמים, אופטימיזציה ורקמות מתקדמות יותר, לעתים קרובות יותר, חומרים מקרו-קולאריכים, אשר מייצרים חומרים מקרו-קולאריכים יותר ויותר מורכבים, והופכים אותם חומרים ממעבדים מתקדמים, והופכים אותם חומרים ממעבדים, והופכים אותם חומרים ממעבדים, והופכים אותם חומרים ממעבדים יותר, ממעבדים יותר, ממעבדים מתקדמים, והופכים אותם חומרים ממעבדים, לעתים קרובות יותר, והופכים אותם חומרים ממעבדים, והופכים אותם חומרים ממעבדים מתקדמים, והופכים אותם חומרים ממעבדים מתקדמים יותר, והופכים אותם חומרים ממעבדים יותר, לעתים קרובות יותר ויותר ממעבדים מתקדמים יותר ויותר ממעבדים מתקדמים, והופכים אותם חומרים ממעבדים, ממעבדים מתקדמים, אשר לעתים קרובות יותר ויותר ממעבדים מתקדמים, אשר שואבים מתקדמים, ממעבדים יותר ויותר ממעבדים מתקדמים,

השדה גדל במהירות, מונע על ידי הצורך בחומרים שיכולים לעמוד בסביבה קיצונית, לתקן את עצמם, או להפחית את צריכת האנרגיה.חומרים ביומטיים אינם רק עותקים של הטבע; הם הם הסתגלותים לרתום עקרונות ביולוגיים – כגון היררכיה, רב-תפקודיות ויעילות משאבים - כדי לפתור אתגרים אנושיים. מאמר זה חוקר את הרעיונות הבסיסיים מאחורי הביומיסימיות בחומרים מדעיים, מדגיש מבנים טבעיים מעוררים השראה, סקרים מגמות, יישומים גדולים, ומתכננים על פני הדור הבא של תעשיות.

עקרונות הביומיסימיות בחומרים מדע

ביומיליאניות, הידוע גם כביומטיקה, הוא המחקר השיטתי של מודלים ביולוגיים ויישום המנגנונים והמבנים שלהם לתכנון והנדסה.במדע החומרים, זה הולך מעבר לחיקוי פשוט.המטרה היא להבין את ה-FLT:0 למה ליברפול 1 חומר טבעי מבצע היטב ולאחר מכן לתרגם את העקרונות האלה לתוך מערכות סינתטיות באמצעות טכניקות ייצור מודרניות.

ארגון היררכיות

חומרים ביולוגיים רבים בנויים ממרכיבים פשוטים מסודרים בארכיטקטורה היררכית.לדוגמה, nacre (אימה-of-pearl) מורכב משטחים aragonite שכבתיים עם דבק חלבון רך.הסידור ב-Nano-scale יוצר קשיחות יוצאת דופן כי הרבה יותר עולה על זה של המרכיבים האישיים שלה.

Multi-functional and Optimization

חומרים טבעיים משמשים לעתים קרובות מטרות מרובות בו זמנית.עצמות מספקת תמיכה מבנית, חנויות סידן, בתים ממחה.עלת הלוטוס דוחה מים תוך לכידת אור השמש עבור פוטוסינתזה. מהנדסים מעצבים כעת חומרים ביו-מימטיים המשלבים עומס, ניקוי עצמי, או רגולציה תרמית במרכיב יחיד.ה רב-תפקוד זה מקטין את מספר החומרים הדרושים, סימולטורים ייצור, ומשפר את הביצועים הכוללים.

יעילות וקיימות

הטבע בונה בטמפרטורות ולחץ מסובכים, תוך שימוש באלמנטים רבים ובחומרים מחזרים.גישות ביומטיות מדגישות תהליכים אנרגיה נמוכה, פסולת מינימלית, וגמישות ביולוגית.לדוגמה, ייצור חומרים בהשראת ביולוגית כמו עכביש סינתטי משתמש בפתרונות קפואים ומזינים מתחדשים ולא פולימרים המבוססים על נפט.

מבנים טבעיים מעוררים השראה לחומרי הנדסה

הטבע מספק ספרייה עצומה של עיצובים מבניים אשר מותאמים באמצעות האבולוציה. להלן כמה דוגמאות אייקוניות שהשפיעו ישירות על התפתחות חומרי הנדסה חדשים, יחד עם המאפיינים הספציפיים שהופכים אותם לערכים.

Nacre (אמא של פרל) - oughness ו-Fracture Resistance

[Ncre] היא השכבה הפנימית של פגזים mollusk.הסעיף הצלב שלה מגלה סידור לבנים-ומחר של טבליות aragonite מיקרוסקופיים מחובר על ידי ממטריקס חלבון אלסטי דק, כאשר סדק מתחיל, הלוחות להחליק בנפרד, גרימת החלבון למתוח ולספוג אנרגיה.מנגנון זה הופך להיות עמיד יותר 3,000 פעמים יותר לשבירה מאשר aagonrite טהור, לשכפל את המהנדסים החדשים של קודמומים, אפילו על ידי קרמיקה, אפילו על ידי מחסנים, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 חץ, 000 מחסנים של חומרים המבוססים על ידי קרמיקה, 000 קרמיקה, 000, 000 קרמיקה, 000.

לוטוס על פני השטח - Superhydrophobicity and Self-Cleaning

היכולת של עלה הלוטוס לגרום טיפות מים להתאדות ולהירק, לשאת עפר עם זה, הוא בשל ה- microscale papillae המצופה גבישים שעווה.זה מלכודות כבדות היררכיות אוויר, צמצום אזור מגע בין מים לבין פני השטח.סיינטטי superhydrophobics בהשראת על ידי עלון הלוטוס עכשיו משמשים בבניינים עצמיים, ציפויים נגד מים וציפוי מים:

Spider Silk - Power and Avalonity

משי גרור עכביש הוא אחד הסיבים הטבעיים הידועים ביותר, עם כוח רבייה דומה פלדה ברמה גבוהה עדיין הרבה יותר קשיחות ואלסטיות.הסוד שוכן במבנה החלבון שלה nanostructure: גבישים ⁇ מוטבעים בגלימה סמית-amorphous, מסודרים ברשת ננופיבריל היררכית המיוצרת באמצעות DNA רטוב ו- DNA רטוב ו-Dytching-s-s-remetchings-inaled for aicermansiveededededededededededededederarchs, אשר כבר השגת חומרים רפואיים, אשר הפכו ל-Ratchalcastreams.

רגליים Gecko - Adhesion Without Glue

Geckos יכול לטפס על משטחים אנכיים ולהיצמד למטה בגלל מיליוני שיער מיקרוסקופי (setae) על העמידות שלהם, כל פיצול למאות ספאטולה ננומטרית.שטח פני השטח הגבוה מאפשר לכוחות ואן דר וואלים ליצור חזק אך ניתוק חזק אך ניתוק חזק, זה נתן השראה רבות דביקות יבשות סינתטיות עבור רובוטים, מאחזים, וטיפוס יישום בולט הוא "על ידי מחסנים" של לכלוך.

Shark Skin - דרגו פיתוי ואנטי-פופולינג

עור כריש מכוסה בקנה מידה זעיר, צלעות צלעות הנקראות דנטליות דרמטיות להפחית את הגרור הידרודינמי על ידי משבש זרימה סוערת וצמצום החיכוך.מבנה זה שוכפל בסרטים קדחתניים המופעלים על ידי ספינות, חליפות שחייה, משטחי מטוסים כדי לשפר את יעילות הדלק.בנוסף, משחתים microorganism מרתיעים microorganism המצורפת לסביבה ידידותית לצבעים אנטי-פוחיות שנמצאו על ידי אוניברסיטת סרגינסנטק.

עמוד הבית > Light Weight Structural Composite

העצם הוא תרכובת היררכית של קולגן (חלבון גמיש) ו הידרוקסיפטיט (מינרל קשיח) המבנה המיקרו-מבנה שלה - עצם קוקטית סביב עצם טרבקי - יוצר חומר קל אך חזק המסוגל לעצב מחדש בתגובה ללחץ. biomimimetic-likes מפותחת עבור שתלים אורתיים המחקה את הטבעיות של העצם, צמצום לחץ דם ארוך טווח כבר עם מבנה קליני מוקרן.

Honeycomb - Power-to-Weight Ratio

הגיאומטריה הקסגונית של דבשcomb מספקת כוח דחיסה מקסימלית ונוקשות של עשב באמצעות חומר מינימלי.עקרון זה שימש במשך עשרות שנים בלוחות כריכים אווירופייס, אבל חידושים אחרונים הפחיתו את העיצוב כדי ליצור משקל אולטרה-אור במשקל 3D-מקודש מבנים של פטיצ'ה.פח-פיבר מחזק לוחות דבש הם עכשיו סטנדרטיים בכנפיים של מטוסים מודרניים כמו בואינג 787, לעומת 20% להורדת דלק הקודמת.

טכניקות ייצור מפתח עבור חומרים ביומטיים

עיצובי הטבע להנדסת חומרים טכנולוגיים דורש תהליכי ייצור מתקדמים.הטכניקות הבאות הפכו להיות חשובות בתחום.

ייצור תוספת (3D הדפסה)

הדפסה תלת מימדית מאפשרת ייצור של מבנים היררכיים מורכבים כי יהיה בלתי אפשרי עם מאצ'ינג מסורתי.לדוגמה, החוקרים יש 3D מודפס Ncre-like ממורכבים על ידי שינוי שכבות של חומרים קשים ורכים עם עובי מדויק. עיבוד אור דיגיטלי ופולימרומיזציה צילום שני יכול ליצור תכונות בקנה מידה מיקרון, תוך העתקת פני השטח של עלים או geckae.

שיטות עצמאיות ולמטה-Up

חומרים ביולוגיים רבים יוצרים באמצעות הערכה עצמית, שבו מולקולות לארגן באופן ספונטני מבנים מסודרים.טכניקות כמו בלוק copolymer Lithography ו DNA אוigami לייצר חלקיקים או דפוסים המחקים תרכובות מינרלים טבעי חלבון.

אלקטרוסינינג וסיבים ביומטיקה

אלקטרוספינינג מייצרת ננופיברות רציונאליות מפתרונות פולימרים, העתקה של הארכיטקטורה הפיברוס של משי עכביש, קולגן או צלולוז. על ידי שליטה על שדה החשמלי וריכוז הפתרונות, מהנדסים יכולים לכוון סיבים, היערכות ונכסים מכניים. הפיגום רפואי עבור הנדסת רקמות מסתמכות רבות על מזרונים אלקטרוספסים ביומטיים המחקה את המרצת הנוספת.

יישומים של חומרים ביומטיים על פני שדות הנדסה

ההשפעה המעשית של חומרים ביו-מימטיים משתרעת כמעט על כל משמעת הנדסית. להלן הם מגזרים מרכזיים שבהם החידושים הללו כבר פרוסים או בפיתוח מתקדם.

תעופה ואוויר

ירידה במשקל היא בראש סדרי אוויר.ביומנטית מרוכבים בהשראת nacre ודבשcomb משמשים לוחות מתפתלים מטוסים, כנפיים, ומנועי nacelles. self-cleaning Lotus-inspired ציפויים בהשראת חלונות תא הטייסים להפחית הצטברות קרח ולשפר את הנראות.

הנדסה אזרחית ותשתית

עצמי-healing בטון, בהתבסס על היכולת של עצמות לתקן מיקרו-קracks, משלב חיידקים כי precipitate סידסטון כאשר נחשפים למים.זה מרחיב את חיי השירות של גשרים וכבישים. סרטי riblet של כריש-skin מוחלים צינורות להפחית אנרגיה מעכב היווצרות biofilm.אפקט הלוטוס משמש על פני השטח כדי לשמור על חזיתות נקיות ותחזוקה.

הנדסה רפואית וביוטכנולוגיה

חומרים ביומטיים שינו שתלים, משלוח תרופות, והנדסת רקמות.סיבים עכביש סינתטי משמשים כמו תותות כי degrads באופן טבעי. הידרוגלs מודלed לאחר תוספת ממטריקס תמיכה צמיחה תא עבור ריפוי הפצע. Gecko-inspireed adhesivesives נבדקו עבור הפצע ללא תפרים, להפחית את הסיכון. טיטניום מנפח עם מבנים דמויי עצם עכשיו הם בשימוש נרחב ירכיים.

רובוטיקה וחוק רך

קולטנים רובוטיים שיכולים להתמודד עם אובייקטים עדינים להשתמש ב- gecko-inspired adhesives יבש להחזיק על פני השטח מבלי למחוץ אותם.רובוטים רכים מחקים את התנועה של ג'לי דגים, octopus אוהלים, ואפילו נוטה צמחי, באמצעות חומרים תואמים שמשנים צורה בתגובה לגירויים. אלה עיצובים ביומטיים מאפשרים רובוטים לנווט סביבות קלוכות, מבצעים מינימלית או ניתוח פולשני עבור אזורים אסון.

אנרגיה וקיימות

תאים סולאריים בהשראת המבנה ההיררכי של כנפי פרפר הראו שיפור של מלכודת אור, שיפור יעילות עד 5% בהשוואה לעיצובים שטוחים. מערכות פוטוסינתזה מלאכותיות לחקות את הדרך שבה צמחים להמיר אור השמש לאנרגיה כימית, במטרה לייצר דלק מימן נקי. ים-urchins עמוד השדרה מעוררים השראה בעיצוב של סוללות חזקות, ⁇ אלקטרודות עבור סוללות בעלות גבוהה, בעוד הרבה השראה הם משתמשים על פני השטח חום כדי לקדם עצירות.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות יוצאת דופן, תרגום העיצובים של הטבע לחומרים הנדסיים ממונעים נשאר קשה.ההה גדולה אחת היא קנה מידה: דגימות בקנה מידה מעבדה לעתים קרובות לאבד את המאפיינים המיוחדים שלהם כאשר מיוצרת בנפח תעשייתי.אחר הוא עמידות: משטחים טבעיים רבים (כמו עלים רבים) להסתמך על מבנים זעירים כי erode במהירות. Cost הוא גם גורם - חומרים omimetic לעתים קרובות דורשים מבשרים יקרים או ציוד מיוחד.

מחקר עתידי מתייחס לאתגרים אלה באמצעות מספר דרכים מבטיחות:

• (FLT:0) ,healing and Fitive MaterialsFLT) 1 שיכול לתקן נזק באופן אוטומטי, לחקות את הריפוי של רקמות ביולוגיות.זה כולל פולימרים עם קשרים הפיכה ו קונקרטי עם חיידקים משובצים.
• (ב) [ה]:0]4Digture PrintFLT:1 [ב] שבו אובייקטים מודפסים 3D משנים צורה לאורך זמן בתגובה ללחות, טמפרטורה או אור, בהשראת תנועות נוסטיות של צמחים.
• (ב) ,0) למידת מחשבת ועיצוב חישובי 1 למסך אלפי מבנים טבעיים וחיזוי שניתן לשכפל עם טכנולוגיות ייצור נוכחיות.
• (FLT:0) BioproductionFLT:1) באמצעות מיקרובים מהונדסים גנטית לייצר חומרים מבוססי חלבון (כגון משי עכביש ו קולגן) בקנה מידה, צמצום ההסתמכות על מוצרי מזון לנפט.

שיתופי פעולה בינלאומיים, כגון FLT:0 (Biomimicry Institute)1, ממשיכים לקטלוג אסטרטגיות ביולוגיות להקל על אימוץ שלהם.ההתכנסות של ננוטכנולוגיה, ייצור תוספים וביולוגיה סינתטית תגביר את הזמינות המסחרית של חומרים ביו-מיגנטיים בעשור הקרוב.

מסקנה

חומרים ביומטיים מייצגים את אחד הגבולות המבטיחים ביותר בהנדסה, המציעים מסלול לביצועים גבוהים, פתרונות בר קיימא ורב-תפקודיים שמערכות טבעיות כבר ישמשו כבר מושלם.מאדריכלות השברירית של nacre אל המאסטר הדבק של הרגליים מראות, עיצובים אלה מראים כי המדע החומרי המתקדם ביותר נמצא לעתים קרובות עלה, פגזים, או strand של טכניקות ייצור משי, הם רק כדי לשפר את החומרים הביולוגיים שלנו, אך ורק כדי לשפר את הטכניקות של הזמן, הם לא רק כדי לשפר את החומרים המודרניים, אלא גם את האופטימיזציה של מערכות טכנולוגיות מתקדמות יותר ויותר, הם לא רק כדי לשפר את האופטימיזציה של אנרגיה, אלא גם את האופטימיזציה של מערכות ביולוגיות, הם, אלא גם את הטכניקות של צורות חיים, אבל עיצובים, הם לא רק כדי לשפר את הגמישות, אלא גם את החומרים הביולוגית, אלא גם את הטכניקות של מערכות מתקדמות יותר ויותר, אבל שיטות למידה, אבל, אבל, אבל, הם, הם, אבל שיטות למידה, אבל, הם לא רק כדי לשפר את הגמישות, אבל, אבל לא רק כדי לשפר את החומרים המודרניים, הם לא רק כדי לשפר את החומרים המודרניים, הם לא רק כדי לשפר את הטכניקות של אנרגיה, הם לא רק כדי לשפר את החומרים המודרניים, הם