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Drei Tiere, die die Rüstung der Zukunft inspirieren

2020

CHEN

Das Tierreich ist voller beeindruckender Rüstungen. Einige Kreaturen tragen starre Muscheln oder Knochenplatten. Andere bevorzugen eine flexiblere Beschichtung der Waage. Alle diese Schilde sind darauf spezialisiert, dem Träger zu helfen, allen möglichen Naturereignissen standzuhalten, vom Wellenschlag bis hin zu Zähnen und Krallen von Raubtieren.

Und jetzt inspiriert dieses riesige Arsenal neue Rüstungen für die Menschen. Wissenschaftler untersuchen, warum Muscheln und Fischschuppen so zäh sind, und entwickeln eigene Versionen. Sie wenden sich sogar Materialien wie Spinnenseide zu und ersinnen sich neue, schützende Funktionen für den superstarken Brei. In einigen Jahren könnten diese neuen Rüstungen in kugelsicheren Westen, Schutzhandschuhen, Sporthelmen und sogar in Sportbekleidung auftauchen.

"Die Natur spielt dieses Spiel seit Millionen und Abermillionen von Jahren", sagt Francois Barthelat, Maschinenbauingenieur an der McGill University in Montreal. "Es ist wirklich ein sehr großes Reservoir an Inspiration."

Hier sind drei Möglichkeiten, wie Tiere uns helfen, uns selbst zu schützen.

Der Alligator Gar ist kein leicht zu tötender Fisch. Es kommt in den Gewässern südlicher Bundesstaaten wie Louisiana und Texas vor und hat nahezu undurchdringliche Schuppen. "Es ist sehr knochig und fühlt sich fast wie Zähne an, sagt Barthelat. Dieser Belag ist schwerer als die meisten Fischschuppen, daher können die Gars nicht sehr schnell manövrieren. Es ist auch so hart, dass ein normales Messer nicht hindurchschneiden kann. Barthelat sagt, Sie greifen am besten nach einer Metallsäge.

Das macht es zur idealen Inspiration für flexible Rüstungen, die Einstichen und Schnittwunden standhalten können. Barthelat und seine Kollegen haben die Waage getestet, indem sie toten Fisch vom Markt genommen und eine dünne Nadel durch ihre Haut gestochen haben. Sie sahen, dass der gestreifte Barsch - ein typischerer Fisch - ziemlich kräftige Schuppen hatte. „Bei den gleichen Tests konnten wir jedoch nicht durch die Haut gehen“, sagt Barthelat. „Die kleine Nadel würde im Grunde genommen einknicken und abbrechen.“ Sie wechselten zu einer größeren Stahlnadel, schafften es aber immer noch nicht, die Hornhautschuppen zu zerbrechen.

Beeindruckt versucht das Team nun, die dicke Haut des Gar nachzuahmen. Im Moment konzentrieren sie sich eher auf die Art und Weise, wie die Skalen angeordnet sind, als auf das Material selbst. Es handelt sich um 3D-Druck-Plastikskalen auf Gummipads, mit denen Größe, Abstand, Form, Dicke und andere Eigenschaften angepasst werden können, um festzustellen, welche am besten funktionieren.

Nachdem Barthelat und seine Crew ein paar verschiedene Arrangements ausprobiert hatten, stellten sie fest, dass die stärksten Rüstungen den echten Gar Scales am ähnlichsten waren. Sie stellten auch fest, dass kleinere Schuppen schwerer zu zerbrechen sind als größere. Ein weiterer Schlüssel zum Erfolg: Skalen, die sich überschneiden, wie die der meisten echten Fische. Wenn diese Schuppen angegriffen werden, können sie einen Teil der Aufprallkraft auf ihre Nachbarn verteilen. Das ist eine wichtige Eigenschaft für eine Rüstung; Wenn der Zahn eines Raubtiers auf einer so harten Schuppe aufliegt, dass er in die weiche, empfindliche Haut des Tieres drückt, wird er verletzt, selbst wenn die Schuppe nicht durchstochen wird.

Das Team hat nun Keramikschuppen hergestellt und diese auf Kevlar-Handschuhe geklebt, die häufig von Menschen getragen werden, die mit scharfen Gegenständen umgehen müssen. »Mit den Kevlar-Handschuhen können Sie im Grunde genommen ein Küchenmesser an der Klinge packen, ohne sich zu schneiden«, sagt Barthelat. Obwohl es sehr schwierig ist, diese Handschuhe zu durchschneiden, kann eine kleine Nadel immer noch zwischen die Fäden aus Kevlar-Stoff gleiten. Dies ist eine besondere Gefahr für Arbeiter, die Recycling sortieren oder Parks aufräumen und möglicherweise keine Nadel sehen, bevor sie nicht in ihre Hände gestochen hat.

"Das Beste, was die Technologie jetzt zu bieten hat, ist etwas, das sie für die Art ihrer Arbeit nicht angemessen schützt", sagt Barthelat.

Sein Ziel ist es, Handschuhe herzustellen, die den Träger vor Einstichen schützen und dennoch geschmeidig genug sind, um die Hände bewegen zu können. "Wenn wir das Problem des bio-inspirierten Designs für Handschuhe und Finger lösen können, können wir so ziemlich alles am Körper handhaben", sagt er.

Seine Prototypen sind mit etwa 2 Millimeter großen Aluminiumoxidschuppen besetzt, für die Bereiche um die Fingergelenke sind jedoch kleinere geplant. Das Team schneidet die Waage mit einem Lasergravierer aus und klebt sie dann auf die Handschuhe. Sie arbeiten mit Superior Glove, einem in Ontario ansässigen Unternehmen, das Arbeitshandschuhe herstellt, zusammen, um ihre Kreationen zu testen. Das Unternehmen konnte die Handschuhe, die Barthelats Team ihnen mit ihren Standardtests geschickt hatte, nicht perforieren, sagt er.

Trotzdem hat auch die Gar-Rüstung ihre Grenzen. Fischschuppen sind zwar in der Lage, Einstiche abzustoßen, sind jedoch nicht dafür ausgelegt, einer schnellen Kugel standzuhalten. Sie sind also nicht das ideale Futter für eine kugelsichere Weste. Trotzdem könnten die Schuppen für Rüstungen nützlich sein, die vor Stichwunden schützen würden. Menschen können Rüstungen tragen, um ihren Oberkörper zu schützen, aber der Hals bleibt oft frei. Eine flexible, von Fischschuppen inspirierte Rüstung könnte diese gefährdete Region schützen, sagt Barthelat.

Viele der härtesten Abwehrkräfte der Natur werden aus ein paar einfachen Zutaten geschmiedet. „Das eigentliche Material spielt keine Rolle - es ist die Art und Weise, wie das Material bei der Bildung dieser Architekturen zusammengebaut wird“, sagt Markus Bühler, Materialwissenschaftler am MIT.

Das ist bei den Muschelschalen der Fall. Conches sind eine gute Inspiration für Rüstungen, da ihre Muscheln einige der stärksten Rüstungen darstellen, die in der Natur zu finden sind. Diese Tiere bauen schlagfeste Häuser, die zehnmal härter sind als Perlmutt oder Perlmutt. Aber sie bestehen aus schwachen Materialien - Proteinen mit einer Konsistenz wie Jello-O sowie spröden, kalkhaltigen Mineralien. "Sie sind in der Lage, wirklich einfache Bausteine ​​zu verwenden, die die Ingenieure nicht einmal von Bühler kennen. Wir bauen Flugzeuge nicht aus Proteinen oder Kreide."

Im Gegensatz zu Ingenieuren können Conchen keinen Stahl kaufen, wenn sie nicht mit den verfügbaren Vorräten zufrieden sind. In den Schalen sind diese Rohstoffe in komplizierten dreistufigen Strukturen angeordnet, die für das Auge zu klein sind. "Jell-O ist sehr wackelig und die Kreide, Sie nehmen einen Hammer und es zerquetscht nur in tausend Stücke", sagt Bühler. "Aber wenn man sie richtig mischt ... kann man etwas wirklich, wirklich Hartes erschaffen, das es mit technisch hergestellten Rüstungsmaterialien aufnehmen kann."

Vor der 3D-Drucktechnologie wäre es Forschern unmöglich gewesen, diese winzigen, komplexen Strukturen physikalisch nachzubilden, so Bühler. Aber er und seine Kollegen waren in der Lage, Materialbögen zu drucken, die die einzigartige Architektur der Muschel nachahmen, die aus einem starren Polymer und einem anderen, matschigeren Polymer besteht.

Er druckte Blätter, die einfacher waren als das Original. „Wir haben einige der Details, die die Natur erfunden hat, mitgenommen, sagt Bühler.„ Und wir haben herausgefunden, dass es sehr wichtig ist. “Ähnlich wie bei den Fischschuppen war die Leistung des Konstrukts umso besser, je näher es an der natürlichen Panzerung lag Bei einem Fallturm-Test, der das Eindringen eines Objekts wie eines Geschosses simuliert, waren Polymerteile schwerer zu brechen.Das Design ist vielversprechend, da es sowohl Rissen widerstehen als auch Energie von einem Aufprall ableiten kann.

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Um die eigentliche Rüstung herzustellen, könnten die Forscher die Polymere gegen Keramik oder Kohlenstofffasern austauschen. Indem wir sie in einer muschelartigen Struktur anordnen, können wir Materialien verbessern, auf die wir uns bereits verlassen.

Diese können in Körperschutz- oder Sporthelmen verwendet werden. Heute, sagt Bühler, sind unsere Helme ziemlich einfache Konstruktionen aus Styropor und einer harten Schale. Aber mit dem Conch-y-Design könnten Helme dünner und leichter gemacht werden und dennoch die gleiche Robustheit aufweisen, oder sie könnten vielleicht das gleiche Gewicht bei besserer Leistung behalten, sagt Bühler.

Diese Rüstung kann für Ihren individuellen Körpertyp personalisiert werden. Vielleicht könnten Sie Ihren Schädel in Zukunft scannen lassen, sagt Bühler, und dann würde ein Computer eine auf Muscheln basierende Rüstung oder einen Helm entwerfen, die genau die richtige Form für Sie haben.

Es wäre allerdings ziemlich teuer, diese Rüstungen in Serie zu produzieren, sagt Bühler. Eine andere Möglichkeit wäre die Verwendung einfacher Zutaten, wie sie in echten Muscheln zu finden sind, um Rüstungen zu bauen. Diese könnten die Kosten senken und könnten umweltfreundlicher sein, aber wir bräuchten spezielle 3D-Drucker, die eine aus diesen Materialien hergestellte „Tinte“ tatsächlich manipulieren könnten, sagt Bühler. Oder wir könnten Mikroben entwickeln, um das Hüllenmaterial abzuscheiden. Vielleicht könnten sie Strukturen noch näher an die Realität bringen, als es unsere 3D-Drucker können.

Spinnen sind nicht dafür bekannt, stark gepanzert zu sein. Ihre Seide muss jedoch robust genug sein, um Beute einzufangen oder ihnen zu helfen, von der Decke zu baumeln oder durch die Luft zu segeln. Ein einziger Strang Spinnenseide ist stark genug, um fliegende Insekten vom Zehntausendfachen ihres Eigengewichts abzuhalten.

Die Seidenfäden sind sehr zäh und sehr elastisch, so dass sie viel Energie aufnehmen können. Das gibt ihnen einen Vorteil gegenüber synthetischen Fasern wie Rayon und Nylon, die sich stark dehnen können, aber nicht sehr stark sind, und anderen wie Kevlar, die unglaublich stark sind, aber nicht viel nachgeben, sagt Jon Rice, COO von Kraig Biocraft Laboratories in Ann Arbor, Michigan.

Forscher auf der ganzen Welt überlegen, wie künstliche Spinnenseide hergestellt und zu kugelsicheren Westen verarbeitet werden kann. Die US-Armee hat einen Auftrag an Kraig vergeben, der gentechnisch veränderte Spinnenseide entwickelt, die stärker ist als Stahl.

Das Unternehmen entwickelt Seidenraupen, um ein bisschen Spinnen-DNA zu transportieren. Auf diese Weise können die Insekten anstelle ihrer eigenen Seide Spinnenseidenprotein herstellen. Kraig arbeitet mit Unternehmen wie Warwick Mills aus Pennsylvania zusammen, um die Seide zu Schutzstoffen zu verweben.

"Niemand würde jemals eine Spinnenfarm haben wollen - das ist eine, gruselige und zwei, sagt Rice, sehr ineffizient. Spinnen sind Kannibalen, also können sie nicht auf engem Raum aufgezogen werden. Außerdem haben wir geerntet." Seide aus Seidenraupen seit Tausenden von Jahren, und wir wissen, dass sie kleine Seidenmacher sind. Tatsächlich sind vierzig Prozent ihres Körpers der Seidendrüse gewidmet.

Ein einzelnes Filament aus Kraigs "Dragon Silk" ist nur 4 bis 10 Mikrometer breit - dünner als ein menschliches Haar. Es ist derzeit ungefähr zwei Drittel so stark wie Kevlar und zehnmal so elastisch, sagt Rice. Ein Kleidungsstück aus dieser „Spinnenseide“ wäre atmungsaktiv, biologisch abbaubar und sanft zur menschlichen Haut. Außerdem ist es leichter und weniger dicht als die Rüstungen, die wir heute verwenden, sagt Rice, damit der Träger weniger beschwert wäre.

Der heutige Körperschutz besteht häufig aus steifen Keramikplatten. Kraigs Spinnen-Seidenpanzer sind so konstruiert, dass sie Energie absorbieren, aber auch so dehnbar sind, dass sie sich biegen und dem Träger erlauben, sich zu bewegen. Später in diesem Jahr wird das Unternehmen der US-Armee Musterpackungen mit Drachenseide ausliefern, die es in der Hoffnung testen werden, kugelsichere Westen und Decken herzustellen, um Menschen vor einer Explosion zu schützen. Die Seide kann auch in spritzenresistenten Handschuhen oder in High-End-Sportbekleidung verwendet werden. »Sie sind glücklicherweise sehr wenige von uns, die eine Körperschutzausrüstung benötigen, aber es gibt viele von uns, die rennen und trainieren«, sagt Rice. Drachenseide kann auch in die Medizin eindringen. Die alten Römer verwendeten erfolgreich Spinnenseide, um Wunden zu schließen, betont er.

Schließlich könne Dragon Silk zu ähnlichen Preisen wie andere Schutzmaterialien hergestellt werden. Das Unternehmen hat auch einige verschiedene Designs aus künstlicher Spinnenseide entworfen. Sie könnten es elastischer oder stärker machen, sagt Rice. Das heißt, sie können Materialien herstellen, die noch stärker sind als natürliche Spinnenseide. "Die Natur als Ausgangspunkt zu verwenden, muss nicht immer unseren fertigen Endpunkt definieren", sagt Rice.

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