Biomedya - Biyoteknoloji & Yaşam Bilimleri

Yeni araştırmalar, mimarinin en eski ve en güvenilir tasarımlarından bazılarının böceklerden ilham alınarak daha da iyi inşa edilebileceğini gösteriyor. Uluslararası bir ekibe göre, en güçlü ve en güvenilir kubbeli tavanlardan bazıları, yusufçuk kanatlarında görülen yarı düzensiz geometrik desenleri daha yakından taklit ederek inşa edilebilir.

Kubbeler ve tonozlar antik Roma'ya kadar uzanan bir geçmişe sahip ve bunun iyi bir nedeni var: binaları güçlendirmenin en ekonomik ve verimli yollarından biri olmalarının yanı sıra büyük miktarda taban alanını da serbest bırakıyorlar. Bununla birlikte, yüzyıllar boyunca, güçlendirmede kullanılan takviye nervürlerinin düzenleri büyük ölçüde aynı kalmıştır. Genellikle iki kategoriden birine girmektedirler - kasetli tavanlı beşik tonozlar (iç kare örgü kaburga takviyeleri içeren uzun bir kemer) veya çapraz tonozlar (dik açılarla kesişen kaburgalar). Ancak yakın zamanda İspanya'daki Grenada Üniversitesi ve Rusya'daki Skolkovo Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nden (Skoltech) araştırmacılar daha da iyi olabilecek alternatifler aramaya başladılar. Elde ettikleri sonuçlar, Thin-Walled Structures dergisinde yayınlanan bir çalışmada ayrıntılı olarak yer almaktadır.

Ekip, 2023'teki önceki çalışmalarına dayanarak, ilk olarak beş tonoz kaburga tasarımı inşa etti: geleneksel kasetli ve çapraz tavanlar, bunların matematiksel olarak geliştirilmiş yinelemeleri ve yusufçuk kanatlarında ve kaplumbağa kabuklarında en çok tanınan geometrik hücrelere dayanan biyomimetik bir tasarım. Matematikte bunun optimize edilmiş versiyonu Voronoi diyagramı olarak bilinir.

Daha sonra her bir seçeneği fiziksel deneyler ve sayısal simülasyonlar kullanarak test ettiler. Merkezi bir yüke dayanma söz konusu olduğunda, topolojik olarak optimize edilmiş tasarımlar ilk sırada yer aldı. Ancak asimetrik stresle karşılaşıldığında, çapraz tonoz en üst sıraya yükseldi ve onu optimize edilmiş seçenekler izledi. Ancak en çarpıcı olanı, merkezi ve asimetrik yükler arasındaki geçişi en iyi hem kasetli hem de Voronoi yinelemelerinin idare etmesiydi.

Çalışmanın başyazarı ve Skoltech Matematik ve Mekanik programında doktora adayı olan Anastasiia Moskaleva, 10 Ekim'de yaptığı açıklamada, “Bu bizi, her iki dünyanın da en iyisini elde etme umuduyla Voronoi desenini dikey yük deneyinden elde edilen en iyi optimize edilmiş düzenle birleştirmeye sevk etti” dedi. Moskaleva ve meslektaşları daha sonra yusufçuk kanat yapılarını analiz ettiler ve sertleştirici kaburgalarının iki grupta sınıflandırılabileceğini keşfettiler.

“Bükülmeye karşı koyan daha sert bir tip var ve sonra kanadın genel yapısal bütünlüğünü sağlayan daha ince kaburgalar var. Ve biz bunu tonozlarda yeniden üretebileceğimizi düşündük” dedi.

Buradan yola çıkan araştırmacılar, topolojik optimizasyonu malzeme harcamalarında daha fazla kısıtlama ile melezleştiren altıncı bir model oluşturdular. Bu tasarımda malzemenin yüzde 70'i birincil kaburgalara ayrılırken, ekip kalan malzemeyi Voronoi desenine karşılık gelen daha ince ikincil kaburgaları doldurmak için kullandı. Bu durumda, hibrit, yusufçuk benzeri tonoz, her metrikte önceki tüm örneklerden daha iyi performans gösterdi.

Moskaleva, bu optimize edilmiş formun otomobil ve uçak parçaları gibi makine mühendisliği projelerinde ortaya çıkmasına rağmen, “inşaat mühendisliğinde nadiren kullanıldığını” söyledi. Moskaleva'ya göre bu, birçok yapısal tasarım için kaçırılmış bir fırsat.

“Bükülmeye karşı koyan daha sert bir tip var ve daha sonra kanadın genel yapısal bütünlüğünü sağlayan daha ince kaburgalar var. Ve biz bunu tonozlarda yeniden üretebileceğimizi düşündük” dedi.

Buradan yola çıkan araştırmacılar, topolojik optimizasyonu malzeme harcamalarında daha fazla kısıtlama ile melezleştiren altıncı bir model oluşturdular. Bu tasarımda malzemenin yüzde 70'i birincil kaburgalara ayrılırken, ekip kalan malzemeyi Voronoi desenine karşılık gelen daha ince ikincil kaburgaları doldurmak için kullandı. Bu durumda, hibrit, yusufçuk benzeri tonoz, her metrikte önceki tüm örneklerden daha iyi performans gösterdi.

Moskaleva, bu optimize edilmiş formun otomobil ve uçak parçaları gibi makine mühendisliği projelerinde ortaya çıkmasına rağmen, “inşaat mühendisliğinde nadiren kullanıldığını” söyledi. Moskaleva'ya göre bu, birçok yapısal tasarım için kaçırılmış bir fırsat.

Kaynak: https://www.popsci.com/technology/dragonfly-wing-architecture/