1841年、英国の生物学者リチャードオーウェンは、フィリピンの近くで見つかった新しい海綿種の複雑な骨格に驚嘆しました。 それは「繊細な宝庫」に似ていて、「紡績ガラスの最高の毛に似た、硬く、きらきらと輝く、弾力性のある糸」から織られたものでした。 骨格は確かにガラスでできており、動物は ユープレクテラ・アスペルギラム 「金星のフラワーバスケット」の愛称で呼ばれる—海水から抽出された酸を使用して作成されます。

科学者たちは180年経った今でもこのスポンジに驚いています。 その注目すべき特性には、驚くべき寿命が含まれます—いくつかのガラススポンジは何千年も生きると考えられており、それらを最も寿命の長い動物の中に配置します—そして シリカストランドを通して光を導く能力 光ファイバーのように。 過去XNUMX年間、ハーバード大学の生物学者、材料科学者、エンジニアのグループは、オーウェンを魅了した金星のフラワーバスケットの特徴であるガラス骨格の複雑なデザインに焦点を当ててきました。 彼らの最近の研究は、未知の理由で、骨格が非常に強いことを明らかにしています—この種の構造のために可能な限りほとんど砕けないです。

「これは、エンジニアリング設計の聖杯のようなものです」と述べています。 ドリュフ・バート、アリゾナ州立大学の工学准教授で、金星のフラワーバスケットを研究していますが、ハーバードチームの仕事には関与していません。

スケルトンの強度は、約20年前にハーバード大学の材料科学者で化学者のジョアンナアイゼンバーグに最初に興味をそそられた独特の格子パターンに由来しています。 カティア・ベルトルディ最近の研究に関するアイゼンバーグの共著者の一人である、も、彼女がそれを見るとすぐに格子パターンに魅了されました。 「これはこの定期的なアーキテクチャですが、単純なアーキテクチャではありません」とBertoldi氏は述べています。 彼女と彼女の同僚は、「なぜこの特定のアーキテクチャなのか」と疑問に思いました。

彼らは、金星のフラワーバスケットの骨格を形成するガラスの梁は、橋や高層ビルを安定させるために使用される梁の集合体であるトラスと多くの共通点があることを指摘しました。 XNUMX世紀以上もの間、エンジニアがトラスに好む設計は、サポートを追加するために両方向に対角線が走る正方形のグリッドで構成される頑丈な格子でした。 「私たちはこれを長い間同じ方法で行ってきました」と述べました。 マテウス・フェルナンデス、チームの大学院生。 ただし、金星のフラワーバスケットの骨格には、典型的なトラスを横切る単一の対角線ではなく、両方向に走る対角線のペアがあります。 これらのペアは間隔が空けられているため、グリッドは市松模様のように見え、対角線がXNUMXつおきの正方形と交差しています。

研究者たちは、スポンジに基づいて格子を作成してコンピューターシミュレーションし、標準のトラスパターンを含む同じ重量の他のXNUMXつの格子構造と比較しました。 シミュレーションと実験で、彼らは、バイオインスパイアード格子が、破壊する前に、最初に一方向の圧縮から、次に別のテストのXNUMX点での反対の圧力からの最大の応力に耐えることを確認しました。 さらなるシミュレーションでは、対角線の数、間隔、厚さを変化させて、最も圧縮を維持できる格子を見つけました。 それはスポンジをモデルにしたものであることが判明しました。

対角線が追加されているため、スポンジの格子には従来のトラスよりも多くの接合部があり、接合部間の距離が短いため、座屈する前に構造がより大きな圧縮を維持できる可能性があります。 チーム 彼らの最初の発見を詳述した スケルトンの強さについて ネイチャーマテリアルズ 九月に。 によると、これらのガラスの骨格のさまざまな側面への「より深い潜水」が進行中です。 ジェームズウィーバー、別の共著者。

研究者たちはまた、彼らが作成したスポンジに触発された格子の特許を追求しています。 重量を増やさずに建築構造に強度を加えると、理論的には、橋の長さ、輸送が容易なインフラストラクチャの軽量化、または宇宙行きの車両のエンジニアリングの合理化が可能になります。 「何百万年にもわたる進化の試行錯誤のプロセスは、最高のものを引き出します」と、 パブロ・ザヴァッティエリ、パデュー大学の土木工学の教授。

しかし、金星のフラワーバスケットの場合、その非圧縮性の進化の目的は不明です。

スポンジはしばしば水圧が極端な数千メートルの深さに住んでいますが、この圧力はすべての方向から来て、ガラスの梁の反対側を均等に押して、それ自体を打ち消します。 スポンジは「押しつぶす力」を経験しません、と説明しました クリントペニック、ジョージア州のケネソー州立大学の生物学者、電子メール経由。

ペニック氏によると、スポンジは立ち上がってプランクトンを水からろ過するために、強力な構造が必要です。 また、大きくなりすぎて離れられなくなると、スポンジに永久に生息することが多いエビのペアを含める必要があります。 （これらの居住者は、結婚式のプレゼントとして贈られる日本で永遠の愛の象徴としてスポンジの地位を獲得しています。）彼らの頑丈な骨格はまた、捕食者を阻止したり、衝突する可能性のある動物による損傷を防ぐ可能性がありますが、ペニックは付け加えました。これは彼らの超堅牢性を完全に説明しています。

ブルートの強さは、ヴィーナスのフラワーバスケットが提供するすべてではありません。 その骨格の格子壁は、その構造の複雑さのいくつかのレベルのXNUMXつにすぎません。 ズームインして、繊維が格子壁内でわずかにシフトする方法、またはタンパク質とシリカ分子の配置がどのように変化するかを確認します トラックの骨折を止めます。 ズームアウトして、レースの骨格が生きているスポンジが水をろ過する方法を調べます。 Bhateのチームは、一部のストランドが他のストランドに完全に接続されていない方法を調査しており、スケルトンの柔軟性を可能にしています。彼は、構造がねじれに耐える方法に興味があります。

「それはあなたが一生を過ごすことができるもののXNUMXつです、そしてあなたはまだそれらのすべての能力を複製していません」とBhateは言いました。 「そしてそれがエキサイティングな理由です。」