Koszyczek Wenery (Euplectella aspergillum), morska gąbka z gromady Hexactinellida, występująca na głębokości nawet ponad 500 m, przystosowana jest do wytrzymywania dużego ciśnienia hydrostatycznego i silnych prądów oceanicznych. Jak tłumaczy Timon Meier z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, kluczem do zrozumienia, jak gąbka może przetrwać w trudnych warunkach okazuje się jej krzemionkowy szkielet, wykazujący się zarówno wytrzymałością, jak i elastycznością. Jego unikalna struktura sieciowana typu lattice przenosi duże obciążenia, a zarazem determinuje charakter przepływu cieczy od zewnątrz i od wewnątrz, w sposób umożliwiający wychwytywanie pożywienia.
Architektura szkieletu koszyczka Wenery posłużyła badaczom za inspirację do rozwiązania problemu w zakresie optymalizacji konstrukcji, z uwzględnieniem mechaniki strukturalnej i dynamiki płynów. W konsekwencji opracowano biomimetyczną strukturę, zoptymalizowaną w obydwu aspektach.
Według Meiera, celem było skonstruowanie lekkiej struktury, zbudowanej z użyciem minimalnej ilości materiału, a jednocześnie możliwie sztywnej i zdolnej do przenoszenia obciążeń mechanicznych. Od strony dynamiki płynów zadbano o to, by struktura nie była podatna na wibracje, wzbudzane wirującym przepływem cieczy.
Na potrzeby projektu powstał system obliczeniowy, sprzęgający symulacje MES z analizami przepływowymi CFD, z możliwością realizacji optymalizacji wielokryterialnej. Po zdefiniowaniu charakterystyk funkcjonalnych, mających stanowić przedmiot optymalizacji, system algorytmiczny rozpatruje setki rozwiązań konstrukcyjnych w ramach powtarzalnych przebiegów symulacji, stopniowo doskonaląc projekt do momentu osiągnięcia optymalnej iteracji.
Rezultaty obliczeniowe zweryfikowano z wykorzystaniem przykładowych modeli struktur, wykonanych przy użyciu druku 3D. Jak relacjonuje prof. Costas Grigoropoulos z Berkeley, badaczom udało się zademonstrować możliwość zwiększenia obciążalności konstrukcji wyłącznie poprzez modyfikacje geometrii, bez zmiany objętości. Dla przykładowych zoptymalizowanych struktur, wytrzymałość na wyboczenie wzrosła o 140%. Obecność porowatości na poziomie 5% pozwoliła znacznie zredukować generację wirów bez strukturalnego osłabienia konstrukcji.
Studium jest krokiem w kierunku rozwoju metamateriałów do budowy takich elementów jak wsporniki konstrukcji offshore, a zarazem zwraca uwagę na to, jak wiele możemy osiągnąć w technice, czerpiąc inspirację ze świata przyrody.
engineering.berkeley.edu
Meier, T., Litvinov, S., Li, R. et al.: Optimized mechano-fluidic metamaterials inspired by deep-sea sponges. Nat Commun 17, 6062 (2026)
