پوسته‌های هوشمند الهام‌گرفته از طبیعت؛ انقلابی در جذب ضربه و ایمنی

این ماده مصنوعی چندلایه با الهام از طبیعت، می‌تواند ضربه‌گیر‌ها و زره‌های بدن آینده را با هوشمندی بیشتری ضربه‌ها را جذب کند. طبیعت میلیون‌ها سال را صرف ساختن حفاظت بهتر کرده است. به پوسته لاک پشت، پوسته بیرونی سخت خرچنگ، یا داخل براق صدف دریایی فکر کنید. اینها فقط برای نمایش نیستند. آنها با گسترش نیرو، جذب ضربه و خم شدن به جای شکستن، به زنده ماندن حیوانات کمک می‌کنند.

اکنون مهندسان از همین ایده‌ها برای ایجاد نوع جدیدی از مواد ساخته شده توسط انسان استفاده می‌کنند. آنها با الهام از صدف‌های دریایی، مواد مصنوعی لایه‌ای ساخته‌اند که نه تنها ضربه نمی‌خورد بلکه با آن سازگار می‌شود.

هر لایه برای واکنش متفاوت طراحی شده است و همه لایه‌ها با هم کار می‌کنند تا ضربه را نرم کنند. مطالعه جدید که توسط پروفسور مهندسی عمران و محیط زیست شلی ژانگ از دانشگاه ایلینویز اوربانا-شامپین و پروفسور اول زیگموند از دانشگاه فنی دانمارک هدایت شد، نشان می‌دهد که چگونه این ماده می‌تواند روزی چیز‌هایی مانند سپر خودرو یا محافظ پوشیدنی را بسیار هوشمندتر و ایمن‌تر کند.

اما محققان تصمیم گرفتند یک گام فراتر بروند. آنها به جای ماهیت مهندسی معکوس، روشی را برای برنامه ریزی لایه‌های منفرد ایجاد کردند تا تحت استرس با هم کار کنند. یکی از مواد طبیعی به طور خاص برجسته بود: ماکر یا مروارید.

ناکر که در داخل صدف‌های نرم تنان مانند صدف و آبالون یافت می‌شود، از لایه‌های میکروسکوپی ساخته شده است که آن را هم سخت و هم به طرز شگفت‌آوری سخت می‌کند. دانشمندان مدت‌هاست که آن را به دلیل جذب نیرو بدون ترک خوردن تحسین کرده‌اند. آنها با الهام از استحکام Nacre، لایه‌های مصنوعی را طراحی کردند که به روشی هماهنگ و سازگار پاسخ می‌دهند.

ژانگ گفت: ما به این ایده رسیدیم که مواد چند لایه را طراحی کنیم که هر لایه بتواند خواص و رفتار‌های متفاوتی را از خود نشان دهد. این رفتار جمعی نشان‌دهنده تغییر رویکرد‌های قبلی است که لایه‌ها را منزوی یا ایستا می‌دانستند. در این طرح جدید، لایه‌ها به طور فعال با هم همکاری می‌کنند و نحوه عبور نیرو از مواد را تغییر می‌دهند.

کمانش زمانی اتفاق می‌افتد که یک ماده به طور ناگهانی تحت فشار خم می‌شود یا فرو می‌ریزد، مانند زمانی که یک فلز می‌تواند تحت فشار بیش از حد مچاله شود.

در بیشتر موارد، علامت شکست است. اما در اینجا، محققان از آن به عنوان یک پاسخ کنترل شده استفاده می‌کنند. بسته به ضربه، لایه‌های مصنوعی در مراحل کمانش می‌شوند. این پاسخ متزلزل به گسترش نیرو و جذب انرژی بیشتر نسبت به مواد جاذب ضربه سنتی کمک می‌کند. ژانگ گفت: این کار از بحث با همکار من، پروفسور زیگموند، در مورد اینکه چگونه می‌توانیم به برخی رفتار‌های بسیار شدید دست پیدا کنیم، به وجود آمد، اما همیشه یک محدودیت فیزیکی یا حد بالایی وجود دارد که مواد منفرد حتی با برنامه‌نویسی می‌توانند به آن دست یابند.

زیگموند ادامه داد: این ما را بر آن داشت تا در نظر بگیریم که چه نوع مهندسی می‌تواند برخی از رفتار‌های مادی احمقانه مورد نیاز در زندگی واقعی را فعال کند. به عنوان مثال، رفتار‌های کمانش شدید می‌تواند به اتلاف انرژی برای چیز‌هایی مانند سپر خودرو کمک کند. 

برنامه نویسی در مقیاس میکرو بازی را تغییر می‌دهد محققان فقط خصوصیات را به هر لایه اختصاص ندادند. آنها اتصالات سطح میکرو بین آنها را برنامه ریزی کردند و ماده‌ای را ایجاد کردند که مانند یک واحد واحد و هوشمند عمل می‌کند.

ژانگ گفت: چارچوب جدید ما چندین مزیت را نسبت به روش‌های موجود برای پاسخ‌های غیرخطی تنش-کرنش ارائه می‌کند. این لایه‌های چندگانه مانند nacre را همراه با اتصالات آنها در یک راه‌اندازی پیوسته بهینه می‌کند، که به طور قابل توجهی فضای طراحی را در مقایسه با کار‌های مشابه شامل راه‌اندازی تک لایه یا ساختار‌های شبکه‌ای گسترش می‌دهد.

رمزگشایی عدم تطابق زمانی که تیم نمونه‌های اولیه فیزیکی را ساخت، مواد دقیقاً همانطور که مدل‌ها پیش‌بینی می‌کردند رفتار نمی‌کردند. اما محققان آن را مفید دانستند. ژانگ گفت: "تفاوتی که ما پیدا کردیم چیزی است که همیشه در زندگی واقعی اتفاق می‌افتد. اما ما می‌توانیم از این اطلاعات برای برنامه‌ریزی عمدی توالی کمانش هر یک از سلول‌های مجزا در مونتاژ استفاده کنیم، برخی اطلاعات را در داخل ذخیره کنیم، و سپس بعداً بتوانیم اطلاعات را رمزگشایی کنیم. ثبت این اختلاف و ارائه اطلاعات مورد نیاز برای بهبود کار بسیار جالب بود.

ژانگ افزود: تولید در مقیاس بزرگ هنوز یک مانع است. اما ایده اصلی در حال حاضر یک پیشرفت است.فکر می‌کنم برای مواد هم همینطور عمل می‌کند. هنگامی که مواد مختلف به طور جمعی با هم کار می‌کنند، می‌توانند کار‌هایی را انجام دهند که بسیار تأثیرگذارتر از انجام کار‌های جداگانه هستند.

اینترستینگ اینجییرینگ اعلام کرد: این کشف، گامی بزرگ در مهندسی مواد هوشمند است و می‌تواند آینده صنایع ایمنی و حمل‌ونقل را متحول کند. طبیعت بار دیگر ثابت کرده که بهترین معلم برای فناوری‌های پیشرفته است.