میگوی مانتیس از هواپیما قوی‌تر است.
مجله علمی ایلیاد - گروهی از محققین به رهبری دانشگاه کالیفرنیا با همکاری دانشگاه کالیفرنیای جنوبی و دانشگاه پردو، با الهام از دُم میگوی مانتیس ساختاری برای مواد کامپوزیتی طراحی کرده‌اند که بسیار مقاوم است و از مواد مورد استفاده در هواپیماهای کنونی نیز محکم‌تر است. «دیوید کیسایلوس» به‌عنوان دانشجوی آکادمی ملی علوم و بخش انرژیی‌های نو در دانشکده‌ی مهندسی دانشگاه کالیفرنیا می‌گوید: «هر چه بیشتر دُم این سخت‌پوست را مطالعه کردیم، بیشتر پی بردیم که ساختار آن می‌تواند بسیاری از چیزهایی که ما روزانه استفاده کنیم را بهبود بخشد.»
میگوی مانتیس حدود ۱۰ تا ۳۰ اینچ طول دارد و به رنگ رنگین‌کمان است و دُمی مانند مشت دارد که سریع‌تر از گلوله‌ای با کالیبر ۲۲ زیر آب حرکت می‌کنند. محققین به سرپرستی کیسایلوس، دانشیار مهندسی شیمی، به دُم این موجود علاقمند شدند، زیرا که این دُم می‌تواند هزاران بار بدون شکستن به شکار ضربه بزنند.
نیرویی که توسط دُم میگوی مانتیس ایجاد می‌شود ۱۰۰۰ برابر بیشتر از وزن آن است. این موجود بسیار قدرتمند است و کیسایلوس مجبور شد آن‌را در آزمایشگاه خود در آکواریومی مخصوص نگهداری کند که نتواند شیشه‌ی آن‌را بشکند. همچنین لازم به ذکر است که شتاب دُم میگو می‌تواند پدیده‌ی کاویتاسیون ایجاد کند، به این معنی که دُم آب را برش می‌دهد و به‌صورت موضعی باعث جوشش آن می‌شود و تولید حباب‌هایی می‌کند که در مرحله‌ی بعد با شکستن و انفجار این حباب‌ها ضربات ثانویه به شکار میگو وارد می‌شود.
مقاله‌ی قبلی محققین در سال ۲۰۱۲ در مجله‌ی Science به چاپ رسید که در آن‌جا محققین دریافته بودند که دُم این موجود از چندین ناحیه تشکیل شده است که شامل ناحیه‌ی شاخ انتهایی می‌شود. این ناحیه با طرز قرارگیری مارپیچی لایه‌های فیبرهای معدنی به‌عنوان جذب‌کننده‌ی شوک مشخص می‌شود. هر لایه نسبت به ناحیه‌ی زیرین خود دارای کمی چرخش زاویه‌ا‌ی است و در نهایت چرخشی ۱۸۰ درجه‌ی کامل را تشکیل داده‌اند.
اخیراً مقاله‌ای با عنوان «کامپوزیت‌های مقاوم در برابر ضربه با الهام از طبیعت» در مجله‌ی Acta Biomaterialia به چاپ رسیده است که در آن محققین از ساختار مارپیچی و یا چندوجهی ذکر شده استفاده کرده‌اند و کامپوزیت‌های فیبرکربنی تولید کرده‌اند. کامپوزیت‌های طراحی شده با این ساختار می‌توانند برای کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار گیرند که از آن جمله می‌توان به هوافضا، بدنه‌ی خودروها، لباس‌های جنگی و کلاه راگبی اشاره کرد.
در آزمایش‌هایی که در این مقاله به آن‌ها اشاره شده است، محققین کامپوزیت فیبرکربنی با لایه‌هایی با سه زاویه‌ی مختلف از ۱۰ درجه تا ۲۵ درجه تولید کرده‌اند. آن‌ها همچنین دو ساختار آزمایشی ساخته‌اند؛ ساختاری هم‌جهت بدین معنی که لایه‌ها مستقیماً روی هم و به موازات یکدیگر قرار داده شده‌اند و ساختار دیگر به صورت «کواسی-ایزوتروپیک» که به‌صورت عمومی در صنایع هوایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این ساختار، لایه‌ها با زوایای صفر درجه (لایه‌ی اول)، ۴۵- درجه (لایه‌ی دوم)، 45+ درجه (لایه‌ی سوم)، ۹۰- درجه (لایه‌ی چهارم) و ... بر روی یکدیگر قرار داده می‌شوند.
.webp)
هدف از این کار این بوده است تا مقاومت و جذب انرژی ساختارهای چندوجهی را در برابر ضربه بررسی کنند و همچنین استحکام این ساختارها را پس از ضربه بسنجند. محققین از سامانه‌ی ضربه‌ی‌ِ آزمایشگاهی موجود در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی با همکاری پروفسور «استیون نات» استفاده کردند که دارای جسمی دایره‌ای بود و در هر ضربه حدود ۱۰۰ ژول انرژی تولید می‌کرد. این سیستم در واقع آزمایش‌های انجام شده در صنایع هوایی را شبیه‌سازی می‌کند. پس از انجام آزمایش، محققین آسیب‌های خارجی قابل مشاهده را اندازه‌گیری کردند و عمق هر آسیب را از طرف داخل با استفاده از اسکن فراصوتی بررسی کردند.
در دسته‌ی آسیب‌های خارجی، نمونه‌های هم‌جهت به‌طور کامل شکسته و از هم جدا شدند. در قسمت عقب نمونه‌های کواسی-ایزوتروپیک سوراخ‌هایی ایجاد شده بود و فیبرهای آن دچار آسیب‌های جدی شده بود. اگرچه فیبرها در نمونه‌های چندوجهی دچار جدایی از یکدیگر شدند، ولی به‌طور کامل سوراخ نشدند. در واقع عمق آسیب‌های وارده به همه‌ی نمونه‌های چندوجهی ۲۰ تا ۵۰ درصد کمتر از نمونه‌های کواسی-ایزوتروپیک بوده است.
آزمایش‌های فراصوتی نشان دادند که در نمونه‌های چندوجهی به جای اینکه مانند نمونه‌های کواسی-ایزوتروپیک در نقطه‌ی آسیب‌دیده خیلی جدی وارد شود، آسیب‌ها در کل ساختار پخش شده است. در مرحله‌ی بعد محققین نمونه را تا شکستن کامل تحت پرسش قرار دادند. نتایج نشان داد که استحکام باقی‌مانده پس از ضربه در نمونه‌های چندوجهی ۱۵ تا ۲۰ درصد بیشتر از نمونه‌های کواسی-ایزوترپیک بوده است.
مدل‌سازی این فرآیند به وسیله‌ی اِلمان محدود توسط همکار کیسایلوس، «پابلو زاواتیری»، دانشیار دانشگاه پرودو انجام شد. این مدل‌سازی بینش منحصربه‌فردی درباره‌ی نحوه‌ی شکست این ساختارها و بهینه‌سازی‌های بالقوه برای طراحی‌های آینده به‌دست داده است. تحقیقات آینده توسط این گروه بر روی مواد گوناگون جدیدی با الهام از موجودات دیگر خواهد بود. کیسایلوس اخیراً مطلع شده است که بودجه‌ی ۷.۵ میلیون دلاری وزارت دفاع آمریکا برای ادامه‌ی این تحقیقات به وی اعطا شده است.
کیسایلوس می‌گوید: «در زیست‌شناسی گوناگونی خارق‌العاده‌ای از گونه‌های مختلف حیوانات وجود دارد که می‌توانند در طراحی‌های جدید به ما کمک کنند و روش‌های تولید نسل‌های جدیدی از مواد پیشرفته را به‌منظور استفاده در اتومبیل‌های سبک، هواپیما و دیگر کاربردها در اختیار ما قرار دهند.»
نوشته: ScienceNewsLine
ترجمه: مجله علمی ایلیاد