Populære Innlegg

Redaksjonens - 2019

Sjø svamp ankre er naturlige modeller av styrke

Anonim

Livet kan virke usikre for havsvampen, kjent som Venus 'blomsterkurv. Bittesmå, hårlignende vedlegg som hovedsakelig er laget av glass, er alt som holder skapningene til havbunnen. Men frykt ikke for disse djevelske skapninger. De små livlengder, kalt basalia spicules, er finjustert for styrke, ifølge ny forskning ledet av Brown University ingeniører.

annonse


I et papir utgitt i Prosedyrene ved Det nasjonale vitenskapsakademiet viser forskerne at hemmeligheten til spicules styrke ligger i deres bemerkelsesverdige indre struktur. Spicules, hver eneste diameter på 50 mikrometer, er laget av en kiselkis (glass) omgitt av 10 til 50 konsentriske sylindere av glass, hver avskilt med et ultra-tynt lag av et organisk materiale. Veggene i hver sylinder reduseres gradvis i tykkelse som beveger seg fra kjernen mot sporkulens utvendige kant.

Da Haneesh Kesari, teknisk assistent ved Brown, først så denne strukturen, var han ikke sikker på hva han skulle gjøre av det. Men mønsteret av avtagende tykkelse fikk øye på ham.

"Det var ikke klart for meg hva dette mønsteret var for, men det så ut som en figur fra en mattebok, " sa Kesari. "Det hadde slik matematisk regelmessighet til det at jeg trodde det måtte være noe nyttig og viktig for dyret."

Livene til disse svampene avhenger av deres evne til å holde seg fast i havbunnen. De opprettholder seg ved å filtrere næringsstoffer ut av vannet, som de ikke kan gjøre hvis de blir kastet om med strømmen. Så det ville være fornuftig, Kesari trodde at det naturlige valget kunne ha formet skapningens spiculeanker i styrkemodeller - og tykkelsesmønsteret kunne være en medvirkende faktor.

"Hvis det ikke kan forankre, kan det ikke overleve, " sa Kesari. "Så vi trodde at denne interne strukturen må bidra til at disse spicules er et bedre anker."

For å finne ut, jobbet Kesari med studenten Michael Monn for å bygge en matematisk modell av spicules 'struktur. Blant modellens antagelser var at de organiske lagene mellom glasscylindrene lot sylinderne glide mot hverandre.

"Vi utarbeidet en mekanisk modell av dette systemet og spurte spørsmålet: Av alle mulige måter kan tykkelsene på lagene variere, hvordan skal de variere slik at sporkelens forankringsevne blir maksimert, " sa Kesari.

Modellen forutslo at strukturens lastkapasitet ville være størst når lagene minker i tykkelse mot utsiden, akkurat som det opprinnelig ble observert i faktiske spicules. Kesari og Monn jobbet sammen med James Weaver og Joanna Aizenberg fra Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering, som har jobbet med denne svamparten i årevis. Laget sammenlignet nøye lagtykkelsene som var forutsatt av mekanikkmodellen til de faktiske lagtykkelsene i mer enn hundre spikuleprøver fra svamper.

Arbeidet viste at prognosene som ble gjort av modellen, passet svært nøye med de observerte lagtykkelsene i prøvene. "Det ser ut til at arrangementet og tykkelsene til disse lagene faktisk bidrar til spicules styrke, som bidrar til å gjøre dem bedre ankre, " sa Kesari.

Forskerne sier at dette er første gang til deres kunnskap om at noen har vurdert den mekaniske fordelen ved denne spesielle arrangementet av lag. Det kan legge til listen over nyttige konstruerte konstruksjoner inspirert av naturen.

"I den utviklede verden ser du alle slags tilfeller der en ekstern geometri av en struktur er modifisert for å forbedre sin spesifikke styrke - I-bjelker er ett eksempel, " sa Monn. "Men du ser ikke en stor innsats rettet mot den indre mekaniske utformingen av disse strukturene."

Denne studien antyder imidlertid at svampespikuler kan gi en blåkopi for bærende bjelker gjort sterkere fra innsiden ut.

annonse



Historie Kilde:

Materialer levert av Brown University . Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.


Tidsreferanse :

  1. Michael A. Monn, James C. Weaver, Tianyang Zhang, Joanna Aizenberg og Haneesh Kesari. Ny funksjonell innsikt i den indre arkitekturen av de laminerte ankerspiklene av Euplectella aspergillum . PNAS, 6. april 2015 DOI: 10.1073 / pnas.1415502112