Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, Гарварда и Стамбульского технического университета разработали метод проектирования метаматериалов, основанный на структуре скелета глубоководной стеклянной губки Euplectella aspergillum. Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, направлена на создание инженерных конструкций, сочетающих малый вес, высокую прочность и оптимальные гидродинамические свойства.
Для разработки команда использовала метод конечных элементов для оценки прочности и вычислительную гидродинамику для моделирования потоков. С помощью многоцелевого байесовского алгоритма оптимизации исследователи проанализировали сотни геометрических конфигураций. Целью было повышение критической нагрузки на изгиб при одновременном снижении сопротивления, подъемной силы и вибраций, вызванных вихревым следом.
Эксперименты, проведенные с помощью стереолитографии и метода визуализации потоков, показали, что оптимизированные решетчатые структуры увеличивают критическую нагрузку на изгиб в среднем на 140% по сравнению с базовыми моделями. Например, цилиндрическая конструкция с пористостью около 5% и спиральными ребрами эффективно подавляет вибрации, сохраняя при этом структурную стабильность без увеличения объема материала.
Авторы отмечают, что полученные показатели являются результатом сравнения экспериментальных образцов с базовыми схемами и зависят от конкретных условий применения. На текущем этапе проект находится в стадии разработки концепции и проверки прототипов. Для внедрения технологии потребуются дополнительные тесты с учетом различных материалов, масштабов, нагрузок и методов производства.
Метод может быть востребован в авиастроении, при создании опор для подводных трубопроводов и медицинских стентов, где важна проходимость жидкостных каналов. Также технологию планируют адаптировать для высотных зданий и других инженерных сооружений, подверженных ветровым нагрузкам, где необходимо сочетание легкости конструкции и устойчивости к внешнему воздействию потоков воздуха или воды.
