Die Natur, das Ergebnis von Millionen Jahren ständiger Evolution, ist eine außergewöhnliche Inspirationsquelle für den Menschen. Dies erklärt die starke Entwicklung der Bioinspiration in den letzten Jahrzehnten. In diesem Zusammenhang wird der Knochen zunehmend in so unterschiedlichen Bereichen wie Kunst, Industrie, Medizin, Robotik und Architektur eingesetzt.
Diese Studie, veröffentlicht in
Bioinspiration & Biomimetics, deutet darauf hin, dass die Struktur der Knochen von heutigen Riesensäugetieren neue Möglichkeiten bietet, um sich stärkere Säulen bei geringerem Materialverbrauch vorzustellen.
Bioinspiration ist ein Entwurfsansatz, der auf der Beobachtung der Natur als Modell beruht. Wo Programme künstlicher Intelligenz manchmal zu suboptimalen Ergebnissen kommen, hat die Evolution in manchen Fällen Strukturen mit einem höheren Potential geschmiedet.
Unter ihnen passt sich das Skelett von Wirbeltieren den mechanischen Belastungen (Gewicht, Muskelwirkung) an. Es muss widerstandsfähig genug sein, um zu überleben, ohne zu schwer zu sein, was die Fortbewegung energieaufwendig machen würde. Die Form der Knochen, aber auch ihre innere Struktur, sind daher so angepasst, dass sie bei minimalem Materialaufwand maximalen Widerstand gegen aufgezwungene Belastungen bieten. Von Knochen inspiriert zu werden, sollte also dazu beitragen, die Herstellungskosten (sowohl finanziell als auch ökologisch) zu reduzieren und die Widerstandsfähigkeit (und Lebensdauer) der bioinspirierten Strukturen zu erhöhen.
Diese Studie schlägt vor, zu untersuchen, welche adaptiven Merkmale der äußeren Form und der inneren Struktur von Knochen mit Widerstandsfähigkeit gegen Kompression zusammenhängen, und zu testen, welche Widerstandsfähigkeit bioinspirierte Säulen haben würden. Dazu mussten die Forscher zunächst die zu analysierenden Knochen auswählen.
Von der Knochenstruktur zu bioinspirierten Säulen. Querschnitt des Radius eines Weißen Nashorns (links), direkt vom Knochen inspirierte Säule (Mitte), zylindrische bioinspirierte Säule (rechts).
© Chaves-Jacob, Etienne & Houssaye Basierend auf anatomischen Eigenschaften entschieden sie sich für die Knochen des Unterarms und des Beins von Nashörnern (
Ceratotherium simum) und Elefanten (
Elephas maximus), den größten aktuellen Landwirbeltieren. Anschließend führten sie biomechanische Analysen an virtuellen 3D-Modellen durch. Dann druckten sie diese mit einem 3D-Drucker aus und führten mechanische Tests durch, um ihre Widerstandsfähigkeit gegen Kompression zu testen. Schließlich bauten sie eine vollständige zylindrische Säule (die dem aktuellen Standard entspricht) und eine andere mit einer von einem Nashornknochen inspirierten inneren Struktur.
Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Form der Knochen weniger effizient ist als ein Zylinder, um dem Druck zu widerstehen. Jedoch zeigte die zylindrische bioinspirierte Säule eine bessere Widerstandsfähigkeit als die volle Säule. Dieses Ergebnis hebt daher das Potential des Designs von zylindrischen bioinspirierten Säulen, basierend auf den Knochen großer Landwirbeltiere, hervor. Die Studie brachte auch das Interesse daran zum Ausdruck, sich von bestimmten ausgestorbenen Formen inspirieren zu lassen, hier vom riesigen Rhinocerotoide
Paraceratherium.
Diese Ergebnisse ermöglichten es den Forschern, ihren Ansatz zu validieren und zu wissen, in welche Richtungen sie ihre Forschungen fortsetzen müssen, um noch widerstandsfähigere Säulen zu erhalten.
Referenz:
Houssaye, A., Etienne, C., Gallic, Y. L., Rocchia, F., und Chaves‐Jacob, J. Wie können Forschungen an modernen und fossilen Knochen uns helfen, widerstandsfähigere Säulen zu bauen?
Bioinspiration & Biomimetics, veröffentlicht am 19. März 2024
. https://doi.org/10.1088/1748-3190/ad311f
Quelle: CNRS INEE