新研究可以通过模仿竹子的韧性和质轻来帮助开发先进的材料

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      野生毛竹的横截面。 围绕心形黑色开口的纤维(维管束)具有朝向外部的更密集的分布。 (Sato M.,et al。,PLOS ONE,May 3,2017)

 

      近的发现,提出了光仿生方法在材料的发展是指在中空竹筒的纤维空间分布的优化,以加强弯曲刚度。

 

      竹子既坚韧又轻便,广泛用作日本和其他亚洲的功能性天然材料。竹的中空结构使其变得轻巧,并且通过少量的木质部分生长更快,并将其暴露在其他树木上的阳光下。然而,由于光照,竹子确实变得容易受到强大的侧风的影响,也不能支撑自己的重量。竹子的木质部分用薄而坚韧的纤维(维管束)加强,以克服这个限制。每根纤维被认为与钢一样刚性。

 

      对竹子横截面的分析揭示了木质部分纤维分布的不均匀。从内表面到外表面纤维的密度逐渐变大,这表明外部部分基于机械透视而比内部部件更坚固。这确实是合理的,因为当气缸弯曲时,外部部件承受更大的力。

 

      来自北海道大学,熊本县立大学和山梨大学的研究人员通过将从实际竹纤维分布获得的数据与理论上确定的优值进行比较,确定了秆中增强纤维分布与秆弯曲刚度之间的关系。

 

      研究人员惊奇地发现,真正的竹子数据几乎显示出与理论上优的纤维分布相同的纤维分布。真实纤维分布对应于理论推导的二次形式,用于梯度根分布附近的梯度分布,其中存在着纤维数量的增加。实验数据符合基于靠近茎顶的理论计算的线性分布,其中纤维比根部附近很少。

 

      作为结果,研究人员研究了竹子是否可以精确地改变纤维的分布,大限度地提高小体积的木材材料的抗弯刚度。因此,本研究中使用的机械理论也可以应用于各种其他中空圆柱体,以确定有助于优化抗弯刚度的梯度分布。

 

      我们的研究可以通过模仿竹子模型的轻盈和韧性来帮助开发先进的材料。模仿在恶劣条件下幸存下来的动植物系统,已经证明在近年来材料开发中解决许多问题成功地被称为生物模拟。