Услышав слово «губка», большинство людей представляет себе нечто мягкое, пористое и податливое. Однако в действительности некоторые губки обладают скелетом, а именно менее чем 20% морских губок – водных многоклеточных животных. Представитель класса стеклянных губок Euplectella aspergillum вдохновил учёных Гарвардской школы инженерных и прикладных наук на разработку инновационных архитектурно-инженерных решений для строительства высотных зданий, длинных мостов и более лёгких космических аппаратов.
В окружающих нас сооружениях практически повсеместно встречаются диагональные лучи опоры. Как правило, они образуют решётку из равных ячеек, которые позволяют равномерно распределять нагрузку по всей конструкции. Изобретателем данной геометрии принято считать Ифиила Тауна – американского архитектора и инженера, который стремился найти способ строить устойчивые сооружения из лёгких и доступных материалов. В 1820 году он запатентовал первый решётчатый крытый мост. В строительной механике такие стержневые системы называют фермами – от лат. firmus — «прочный». Дальнейшее развитие идеи Тауна получили в системе Гау, в которой ячейки были укреплены дополнительными вертикальными тяжами и раскосами. Впоследствии раскосные фермы стали одной из наиболее распространённых конструкций не только в архитектуре, но и в транспортной промышленности.
Впрочем, и у инженерных систем, доказавших свою практичность и эффективность за многолетнюю историю эксплуатации, есть свои недостатки. С технической точки зрения, они не всегда оптимальны в вопросе количества используемого материала. Кроме того, подобные конструкции накладывают определённые ограничения на высоту здания или длину моста, а также заметно утяжеляют сооружения.
По мнению исследователей из Гарвардской школы, стеклянная губка Euplectella aspergillum, также известная как «корзинка Венеры», представляет собой образец идеальной природной ферменной системы. Для развития подобной совершенной конструкции у этого беспозвоночного животного было без малого 500 миллионов лет эволюции. Цилиндрическое тело Euplectella aspergillum поддерживает два набора параллельных скелетных трубочек, которые по диагонали пересекаются с квадратной решёткой, образуя прочный узор, напоминающий шахматную доску.
Исследуя естественную стратегию усиления конструкции скелета Euplectella aspergillum, учёные обнаружили в ней гораздо более высокий показатель сопротивления деформациям, чем у традиционных ферм. В частности, скелетная структура губки имеет оптимальное соотношение прочности и веса материала. К такому выводу исследователи пришли путём анализа искусственной скелетной структуры, воспроизведённой по подобию скелета Euplectella aspergillum.
Исследование гарвардских учёных в очередной раз продемонстрировало эффективность подхода биомимикрии – разработки инноваций на основе «подсмотренных» у природы идей. По мнению специалистов, заимствование особенностей скелетного строения губок Euplectella aspergillum для создания геометрически оптимизированной конструкции позволит усилить её более чем на 20% без необходимости увеличивать количество используемых материалов. Улучшенное сопротивление деформациям и повышенная износостойкость конструкции будут полезными в строительстве сооружений, подверженных постоянным высоким нагрузкам, например, мостов или многоэтажных зданий. Кроме того, скелет морской губки может стать вдохновением для разработки космических аппаратов нового поколения, ведь особенно при подготовке к далёким и длительным космическим путешествиям очень важно сохранить минимальный вес готового корабля при максимальной прочности его конструкции.
