Derin denizlerin kurşun geçirmez zırhından, bu biyolojik tasarımlardan doğrudan ilham alan, milyonlarca yıl boyunca modern mühendislik için yüksek performanslı çözümlere sahipti.Geçmişte, dokularını moleküler ve makroskobik düzeylerde, bilim adamları ve mühendisler şimdi daha fazla sürdürülebilir hale gelen gelişmiş kompozit malzemeler, kaplamalar ve yapısal malzemeler yaratırlar.

Alan hızla büyüdü, aşırı ortamlara dayanabilecek malzemelere ihtiyaç duyuyor, kendilerini tamir edebilir veya enerji tüketimini azaltıyor; Biyomimetik malzemeler sadece doğa kopyaları değil; biyolojik ilkeleri kullanan adaptasyonlar – hiyerarşi, multifonksiyonel ve kaynak verimliliği gibi – insan sorunlarını çözüyor.

Biyomimik İlkeleri Malzeme Bilimi

Biyomimik, biyomimetics olarak da bilinen, biyolojik modeller ve mekanizmalarının ve yapıların modern üretim tekniklerini kullanarak sistematik bir çalışmadır.In material science, it goes beyond simple Origin.The goal is to understand.ENFLT:0.why[FLT]

Hierarchical Organization

Birçok biyolojik malzeme, hierarşik mimarilerde düzenlenmiş basit bileşenlerden inşa edilmiştir. Örneğin, nacre (mother-of-pearl) yumuşak bir protein yapıştırıcısı ile kırılmış olan aragonit plakalı tabakalardan oluşur. Nano ölçekli düzenleme, bireysel seçmenlerin çok daha fazla geçtiği olağanüstü sertliği yaratır.

Multi-fonksiyon ve Optimizasyon

Doğal malzemeler genellikle aynı anda birden çok şekilde hizmet eder. Bone yapısal destek sağlar, depolar kalsiyum ve evler ilik. fotosentez için güneş ışığı yakalamaya çalışırken çok işlevli sular.

Kaynak Verimliliği ve Sürdürülebilirlik

Doğa, çevre sıcaklıklarında ve baskılarda, bol elementler ve geri dönüşüm malzemeleri kullanarak inşa eder. Biomimetic yaklaşımlar düşük enerji süreçleri, minimum atık ve biyodegradability. Örneğin, sentetik örümcek ipek gibi biyo-inspire edilen malzemelerin üretimi petrol bazlı polimerlerden ziyade sert çözümler ve yenilenebilir yemler kullanır.

Mühendislik Malzemelerine ilham veren doğal Yapılar

Doğa, evrim yoluyla optimize edilmiş çok sayıda yapısal tasarım kütüphanesi sunar. Aşağıda, yeni mühendislik malzemelerinin gelişimini doğrudan etkilemiş olan birkaç ikonik örnek vardır, onları değerli kılan özel özelliklerle birlikte.

Nacre (Anayas Ana) - Sertlik ve Fracture Direniş

Nacre, ince elastik protein matrisi ile bağlanan ince bir elastik protein matrisi ile dolu, çatlakların ayrı olduğu zaman, proteinin yayılması ve absorbe edilmesi için bir tuğla-vemortar düzenlemesi ortaya çıkıyor.Bu mekanizma, darlıklı yüzeylerde bu mimariyi yeniden ortaya çıkarmak için daha dayanıklı bir şekilde ortaya koydu.

Lotus Leaf Surface – Superhidrphobicity ve Self-Cleaning

Pek çokphous yaprak, su ve yüzey arasındaki temas alanına neden olma yeteneğine sahiptir, onunla kir taşımak, kendi mikro ölçekli papillae kapitaları için koyularak, bu hiyerarşik bir kıyafete karşı koruma sağlar.Bu kırılganlık tuzakları azaltıcı: Su ve yüzey arasındaki temas alanını azaltıcı.

Örümcek İpek – Güçlü ve Elastik

Örümcek sürüklenme ipeksi, bilinen en güçlü doğal liflerden biridir, yüksek çözünürlükte çelik ile karşılaştırılabilir bir çekme gücü ile henüz çok daha sert ve elastiklik. Protein nanoyapısında gizli yalanlar: hafif tekstiller sipariş ve biyodegrad edilebilir balık ağları, Cambridge Üniversitesi'nde bir hierarşik nanofibril ağıyla birlikte yapılan bir tel ipeksi.

Gecko Ayakları – Hoşgörü Olmayan Adhesion

Geckos dikey yüzeylere tırmanmak ve milyonlarca mikroskobik saç (setae) tonları nedeniyle takılmak, her biri ABD'nin yüksek yüzey alanı, Van der Waals kuvvetlerine güçlü ama geri dönüşümlü adlar yaratmalarına yardımcı olmak için yardımcı olabilir.Bu, sualtı için birçok sentetik kuru yapıştırıcıya ilham verdi.

Köpekbalığı - Ter Azımı ve Antifouling

Köpekbalığı cilt küçük, küçük ölçeklerde, yakıt verimliliğini artırmak için dermal dezenfekteler olarak adlandırılır ve bu yapı, Harvard Üniversitesi'nden gelen bir çalışma, sentetik-skin yüzeylere uygulanan, yakıt verimliliğini artırmak için% 8'e kadar azalır.

Bone – Hafif Yapısal Kompozit

Kemik, kolajen kemikten (a esnek protein) ve hidroxyapatite (küresel mineral) mikroyapısı - uzun süreli integralin azaltılması ve iyileştirilmesi için henüz güçlü bir malzeme oluşturmak. Biomimetici gibi kompozitler zaten klinik kullanım için geliştirilmektedir.

Honeycomb – Güçlü-to-Weight

Bir balkombın hexagonal geometrisi, en yüksek basınçlı kuvvet ve hearjimliği minimum malzeme kullanarak on yıllardır havacılık sandviç panellerinde kullanılmıştır, ancak son yenilikler daha önce modellere kıyasla% 20 oranında azaltıldı.

Biyomimetik Malzemeler için Anahtar İmalat Teknikleri

Doğanın pratik mühendislik malzemelerine yönelik tasarımları yapmak, gelişmiş üretim süreçleri gerektirir. Aşağıdaki teknikler alanda önemli hale gelmiştir.

Katkı İmalatı (3D Baskı)

3D baskı, karmaşık hiyerarşik yapıların üretimine geleneksel işleme ile imkansız hale gelir. Örneğin, araştırmacıların 3D-printed nacre benzeri kompozitleri, katı ve yumuşak malzemeler tabakalarını kesin olarak kalınlıkla değiştirebilirler. Dijital ışık işleme ve iki foton polimerizasyon, mikron ölçekdeki özellikleri yaratabilir, lotus veya yaprakların yüzey dokularını kopyalayabilirler.

Kendi kendine benzeyen ve Alt-Up Yöntemleri

Birçok biyolojik malzeme kendi kendine benzeyen, moleküllerin kendiliğinden sipariş edilen yapılara dahil edilmesiyle form oluşturur. Blok kopolimer lithography ve DNA veyaigami gibi teknikler, mimik doğal mineral-protein kompozitleri ile ilgili olarak umut vericidir. Bu yöntemler özellikle büyük arılar, defeksiz kaplamalar veya membranlar yaratmak için umut vericidir.

Elektrospinning ve Fiber Biomimetics

Elektrospinning, polimer çözümlerinden sürekli nanofiberler üretiyor, ekstra hücreli matrixi mimikleyen elektrospun biyomimetik matlara güveniyor.Elektrik alanını ve çözüm konsantrasyonunu kontrol ederek, mühendisler fiber çapında, hizalama ve mekanik özellikleri ayarlar. Tıbbi scaffolds for doku mühendisliği ağır ölçüde elektrospun biomimetic matlara güveniyor.

Biyomimetik Malzemeler Across Engineering Fields

Biyomimetik malzemelerin pratik etkisi neredeyse her mühendislik disiplini ile ilgilidir. Aşağıda bu yeniliklerin zaten konuşulduğu veya gelişmiş bir gelişmede kullanıldığı önemli sektörlerdir.

Havacılık ve Havacılık

Kilo azaltma, havacılıkta en iyi önceliktir. Biyomimtik kompozitler nacre ve balcomb tarafından ilham edilen polimerler, uçak fuselage panellerinde, kanatlarda ve motor nacelles'in ikinci kaplamalarını kullanarak, gelecekteki uçaklarda çok fazla temizleme cihazları tasarlamaya ve görünürlük geliştirmeye yardımcı oluyor.

İnşaat Mühendisliği ve Altyapı

Mikro-kahkayı tamir etme yeteneğine dayanarak, sulara maruz kaldığı zaman, kireç taşı kullanan bakterileri içerir.Bu, köprülerin ve yolların hizmet ömrünü genişletir.

Tıp ve Biyomedikal Mühendisliği

Biyomimetik malzemeler implantlar, ilaç teslimi ve doku mühendisliği haline geldi. Sentetik örümcek ipek elyaflar doğal olarak bozulan kemik benzeri yapılarına göre preslenmiş ve diş implantları için hücre büyümesinden sonra kullanılmaktadır. Gecko-inspired yapıştırıcıları, dikte olmadan yara kapanmak için test edildi, enfeksiyon riskini azaltır.

Robotik ve Yumuşak

Hassas nesnelerle başa çıkabilen robotlar gecko-inspired kuru yapıştırıcıları, onları ezilmeden yüzeylere tutmak için kullanırlar. Yumuşak robotlar, jantropus çadırları ve hatta bitki eğilimlidir, stilizelere yanıt veren malzemeler kullanarak.Bu biyomimetik tasarımlar robotları en az invazif ortamlara sürüklenmelerini sağlar, en az invazif cerrahiyi yapar veya felaket bölgelerinde hayatta kalanları aramak.

Enerji ve sürdürülebilirlik

Mikrobiyo kanatlarının hiyerarşik yapısı, yüksek kapasiteli bataryaların tasarımını teşvik etti, birçok ilham verici yüzeylerin ısı geçişi ve enerji aktarımını teşvik etmek için ısı değiştiricileri kullanıldı.Deniz-urchin omurgaları güçlü, yüksek kapasiteli bataryaların tasarımını ilham aldı, yüksek çözünürlükte elektrotları artırmak için ısı değiştiricileri kullanıyor, ısı değiştiricileri ısı transferleri ve enerji transferlerini teşvik etmek için kullanılıyor.

Meydanlar ve Gelecek Yollar

Dikkat çekici bir ilerlemeye rağmen, doğanın kitlesel üretilen mühendislik malzemelerinin tasarımları zor kalır. Bir büyük engel ölçeklenebilir: laboratuvar ölçekli örnekler genellikle endüstriyel hacimlerde üretilen özel özelliklerini kaybeder. Başka bir dayanıklılık: birçok doğal yüzey (çok fazla yaprak gibi) hızla erode olan kırılgan mikro yapılara güvenir.

Gelecek araştırma bu zorlukların birkaç umut verici avenues aracılığıyla ele alınması:

  • [FONT:0)Kendi kendine özgü ve uyarlayıcı malzemeler) otomatik olarak zarar verebilir, biyolojik dokuların iyileşmesini sağlar. Bu, gömülü bakterilerle yeniden dönüşümlü bağlar ve beton içerir.
  • [FONT:0]4D baskı [D-printed nesneler, ne zaman nem, sıcaklık veya ışıklara yanıt olarak, bitkilerin nastic hareketlerinden ilham alarak şekil değiştirir.
  • [0]Makine öğrenme ve hesaplama tasarımı[Dönetici 1] binlerce doğal yapıyı ekran ve mevcut üretim teknolojileri ile çoğaltılabilir olan tahmin.
  • [FONT:0)Bioprodüksiyon[[[Dönetici olarak üretilen mikropların protein bazlı malzemeler üretmesi (örneğin örümcek ipek ve kolajen) ölçeklendirmesi, petrol beslemelerine olan bağımlılığı azaltması.

Uluslararası işbirliği, örneğin:0)Biomimikry Enstitüsü[[Dönetici: 1), biyolojik stratejilere devam ediyor ve nanoteknolojinin yakınlaşması, katkı üretimi ve sentetik biyolojinin yakınlaşması önümüzdeki on yıl içinde biyomimetik malzemelerin ticari varlığını hızlandıracak.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Biyomimetik malzemeler mühendislikteki en umut verici sınırlardan birini temsil ediyor, yüksek performanslı, sürdürülebilir ve çok işlevli çözümlere yol açıyor. Doğal sistemlerin zaten mükemmelleştiğini gösteriyor.Engelen beton malzemelerden, biyomimetik malzemelerin yapıştırıcısı ustaca, binalarda, tıbbi cihazlarda ve enerji sistemlerindeki en gelişmiş materyal biliminin genellikle bir yaprakta, bir kabukta veya bir ipek tekniğin parçası olduğunu gösteriyor.