تصميم مواد مقاومة للصدمات مستوحاة من أحد أنواع الربيان :

ألهمت ذراع الروبيان السرعوفي التي تشبه المطرقة فريق من الباحثين بكلية بورنز للهندسة في ريفيرسايد بكاليفورنيا وذلك بتعاون مع جامعة جنوب كاليفورنيا وجامعة بوردو ، لتصميم بنى مواد مركبة مقاومة للصدمات وصلبة أكثر من المواد المستخدمة في صناعة الطائرات.

يتراوح طول هذا النوع من الروبيان من 10 -15 سنتمتر و هو من القشريات الملونة بألوان قوس قزح ،يمكن أن يكون تسارع ضربته تحت الماء أسرع رصاصة عيار 22.بامكان قبضته ضرب فريسته ألاف المرات دون أن تنكسر حيث تعادل قوة ضربته 1000 مرة وزنه، لذلك تم وضع هذا الحيوان أثناء دراسته في حوض خاص لتجنب كسر زجاج الحوض بفعل هذه القوة الكبيرة.

أثارت قدرة الروبيان السرعوفي اعجاب البروفيسور ديفيد كيسولز أستاذ مساعد في كلية بورنز للهندسة ومعاونيه فقاموا بدراسته ونشروا بحث في مجلة Scienceعام 2012 ذكروا فيه أن ذراع هذا الروبيان تتكون من عدة مناطق بما فيها منطقة داخلية تتميز هذه المنطقة بترتيب متصاعد من طبقات مكونة من ألياف معدنية تلعب دور في امتصاص الصدمات، كل طبقة منها تدور بزاوية صغيرة بالنسبة للطبقة التي تحتها لتكمل بالنهاية دوران قدره 180درجة .

في دراسة نشرت حديثاً على شبكة الانترنت ، في مجلة أكتا Acta طبق الباحثون تصميم هذه الطبقات الحلزونية أو اللولبية لتشكيل مواد مركبة من ألياف كربون -مركبات الإيبوكسي ذات طبقات مرتبة في ثلاث زوايا لولبية مختلفة تتراوح بين 10-25 درجة، كما قاموا أيضاً بتشكيل بنيتين أخريين ،احداهما أحادية الاتجاه تتكون من طبقات كل منها موضوعة فوق الأخرى و متوازية فيما بينها، والثانية شبه متماثلة المناحي وهي النموذج المستخدم في صناعة هياكل الطائرات، حيث يتكون من طبقات متناوبة ومكدسة فوق بعضها البعض وفق الترتيب التالي: الطبقة الأولى بزاوية قدرها 0 درجة تليها الطبقة الثانية بزاوية قدرها -45 درجة ثم طبقة ثالثة بزاوية قدرها 45 درجة وطبقة رابعة بزاوية 90 وهكذا . الهدف من ذلك دراسة مقاومة الصدم والطاقة الممتصة للهياكل اللولبية خلال وبعد عملية الصدم أو الضرب.

أجرى الباحثون اختبارات على هذه البنى مطابقة للتي تجرى على هياكل الطائرات، وبعد الانتهاء من الاختبارات تم قياس كل من الضرر الخارجي والداخلي وعمق التجويف المتكون من الصدمة وذلك باستخدام تقنية التصوير بالأمواج فوق الصوتية و كانت النتائج كالتالي : تكسرت العينات أحادية الاتجاه (ذات الطبقات المتوازية) وفشلت بشكل كامل، في حين ثقبت العينات شبه متماثلة المناحي مع وجود ضرر كبير بالألياف. أما العينات اللولبية فعلى الرغم من تقطع بعض الألياف فيها إلا أنه لم يظهر أي ثقب ضمنها، كما وجد أن عمق التجويف في العينات اللولبية كان أقل بنسبة تتراوح من 20- 50% من العينات شبه متماثلة المناحي.

كما أظهرت نتائج الفحص بالأمواج فوق الصوتية أن انتشار الضرر في العينات اللولبية كان ممتداً بشكل أفقي ضمن البنية دون أن يحدث تلف كبير كما يحدث في العينات شبه متماثلة المناحي. قام الباحثون أيضاً بتطبيق ضغط متواصل على العينات حتى الوصول لحد الكسر، حيث بينت نتائج هذا الاختبار أن العينات اللولبية بشكل عام حافظت على تماسكها بنسبة قدرها من 15-20% أكثر من العينات شبه متماثلة المناحي.

وضع نموذج حاسوبي يستخدم طريقة العناصر المنتهية(طريقة تحليل عددي لإيجاد الحلول التقريبية للمعادلات التفاضلية ) وذلك لدراسة النماذج الفاشلة لهذه البنى ومقدماً تعديلات ممكنة للتصاميم المستقبلية.

لهذه المواد المركبة تطبيقات متنوعة بما في ذلك الطائرات وإطارات السيارات و الخوذ المستخدمة في مباريات كرة القدم الأميركية . لكن كيسولز مهتم بشكل خاص بالدروع العسكرية ،فهو يحاول تطوير دروع عسكرية واقية للجسم لاستبدال الدروع الحالية _وزنها 13 كيلوغرام_ الى أخرى وزنها و سماكتها ثلث الدروع الحالية .

ستتركز البحوث المستقبلية لهذا الفريق على دمج مجموعة متنوعة من المواد الجديدة وكذلك الأفكار الممكنة من هذه المواد ومن كائنات حية أخرى يدرسونها .وقد تم مؤخراً الاعلان عن منحة وقدرها 7.5 مليون دولار مقدمة من وزارة الدفاع لمتابعة هذا العمل.

يقول كيسولز "يمكن ان يؤمن التنوع الحيوي الكبير أفكار لتصاميم جديدة وطرق صناعية لجيل قادم من المواد المتطورة تفيد في تصميم سيارات خفيفة الوزن ، طائرات وتطبيقات هيكلية أخرى"

المصادر:

هنا

هنا