Голова дятла вдохновляет на амортизаторы

Пол Маркс

4 февраля 2011 г.

Дятел против амортизатора

Когда исследователи авиакатастроф будущего извлекут из обломков самолета бортовой самописец, они, возможно, будут благодарить золотолобого дятла Melanerpes aurifons за сохранение полетных данных. Причина? Амортизатор, вдохновленный способностью птиц выдерживать резкое замедление.

Голова дятла испытывает замедление на 1200 g, когда она барабанит по дереву со скоростью до 22 раз в секунду. Люди часто получают сотрясение мозга, если они испытывают нагрузку от 80 до 100 g, поэтому неясно, как дятел избегает повреждения мозга.

Так Сан-Хи Юн и Сунгмин Пак из Калифорнийского университета в Беркли изучили видео и компьютерную томографию головы и шеи птицы и обнаружили, что у нее есть четыре структуры, которые поглощают механические удары.

Реклама

Это его твердый, но упругий клюв; жилистая, пружинистая структура, поддерживающая язык, которая простирается за черепом и называется подъязычной костью; участок губчатой ​​кости в черепе; и то, как череп и спинномозговая жидкость взаимодействуют, подавляя вибрацию.

Затем исследователи решили найти искусственные аналоги для всех этих факторов, чтобы создать механическую амортизирующую систему для защиты микроэлектроники, которая работает аналогичным образом.

Чтобы имитировать устойчивость клюва к деформации, они используют цилиндрический металлический корпус. Способность подъязычной кости распределять механические нагрузки имитируется слоем резины внутри этого цилиндра, а череп/спинномозговая жидкость - слоем алюминия. Виброустойчивость губчатой ​​кости имитируется плотно упакованными стеклянными сферами диаметром 1 миллиметр, в которых находится хрупкий контур (см. диаграмму).

Чтобы проверить свою систему, Юн и Пак поместили ее в пулю и с помощью пневматического пистолета выстрелили в алюминиевую стену. Они обнаружили, что их система защищает расположенную внутри нее электронику от ударов силой до 60 000 g. Современные бортовые самописцы выдерживают удары силой до 1000g.

«Теперь мы знаем, как предотвратить разрушение микроустройств от механического удара», — говорит Юн. «Институт в Корее сейчас изучает военное применение этой технологии».

Помимо возможной защиты электроники бортового самописца, амортизатор также может использоваться в бомбах, разрушающих бункеры, а также для защиты космических кораблей от столкновений с микрометеоритами и космическим мусором. Его также можно использовать для защиты электроники в автомобилях.

«Это исследование является захватывающим примером того, как природа создает высокоразвитые структуры для решения задачи, которая на первый взгляд кажется невыполнимой», — говорит Ким Блэкберн, инженер из Крэнфилдского университета в Великобритании, который специализируется на исследованиях ударов автомобилей.

«Это может повлиять на наше мышление о регенеративных амортизаторах для транспортных средств, перенаправляя энергию в форму, которую легче восстановить, чем сбрасывать ее в тепло», — добавляет Блэкберн. «В конечном счете, нам нужно научиться у дятла восстанавливать энергию и не доставлять водителю головную боль».

Ник Фрай, исполнительный директор команды Формулы-1 Mercedes GP Petronas, базирующейся в Брэкли, Великобритания, говорит, что такие идеи могут способствовать защите от столкновений гонщиков, участвующих в автоспорте: несчастный случай таким образом, что его внутренние органы и мозг не превратились в кашу».

«Мы делаем это с помощью продуманной конструкции из композитных материалов, очень сложных ремней безопасности и системы фиксации головы и шеи», — говорит Фрай. «Но это исследование может стать чем-то, на что мы сможем опираться в будущем – оно может быть очень интересным».

Ссылка на журнал: Биоинспирация и биомиметика, DOI: 10.1088/1748-3182/6/1/016003.

Темы:

Реклама