Недавно исследователи разработали гибкую, но прочную трансформирующуюся структуру, вдохновленную скелетом морской звезды, которая демонстрирует возможности 4D-трансформации и может найти многообещающее применение в робототехнике, авиации и медицинских устройствах.

«Морские звезды обладают замечательной способностью без усилий удерживать себя в любой позе тела , изменяя жесткость своего эндоскелета», — говорит Раман Раман, аспирант рабочей группы по биологическим структурам и биомиметике в Hochschule Bremen — Городском университете прикладных наук Бремена, Германия.

Косточки — это кальцитовые микроструктуры внутри тел морских звезд , которые соединены в сеть коллагеновыми волокнами , образуя эндоскелет. Эта прочная, но простая структура позволяет им удерживать самые разные позы тела с минимальными затратами энергии.

«Мы были очарованы этим биологическим решением сложной инженерной проблемы», — говорит г-н Раман. «Наша цель состояла в том, чтобы раскрыть секреты их сложного скелета и перевести эти принципы в новый материал с аналогичными замечательными свойствами».

Г-н Раман и его команда использовали междисциплинарный подход для этого проекта. Используя рентгеновские КТ-сканы высокого разрешения, они визуализировали скелетные структуры морской звезды и использовали математические модели (анализ конечных элементов и многотельное моделирование) для понимания сложной взаимосвязанной механики скелетных компонентов.

«Впервые мы смогли показать сложную трехмерную структуру скелета морской звезды и тонкую ультраструктуру мелких косточек», — говорит г-н Раман. «Теперь мы использовали эти идеи для процесса биомиметического проектирования нашей собственной морфинговой структуры, включив в нее методы быстрого прототипирования для изготовления».

Г-н Раман и его команда использовали 3D-печать для производства различных рабочих прототипов, которые могут справиться с впечатляющим спектром физических задач. «Наша запатентованная морфинговая структура, вдохновленная морской звездой, демонстрирует самоблокировку, непрерывный изгиб, самовосстановление и функции памяти формы», — говорит исследователь.

Масштабируемость, низкая стоимость и относительная простота производства этой трансформирующейся структуры открывают множество возможностей для промышленного применения, включая робототехнику, авиацию и биомедицинские устройства, такие как протезы и имплантаты.

Это исследование будет представлено на ежегодной конференции Общества экспериментальной биологии в Праге с 2 по 5 июля 2024 года.