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仿松树均衡应力设计轻型功能材料

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松树长成参天大树仍然结构稳定,寿命长且屹立不倒,这不正是工程师们设计机械产品所追求的可靠性吗?德国卡尔斯鲁厄大学(University of Karlsruhe)的生物机械专家克劳斯•马特赫克(Claus Mattheck)提出相应的“应力均衡原理”。它指出树和动物骨头在成长过程中总是尽可能达到结构内外应力的均衡分布,比如说,动物关节处变形较大,这个 位置就会生成更多的物质来补偿抵抗变形所产生的应力;而在变形小的地方甚至是空心的,减轻材料重量以适应动态活动的负荷。马特赫克利用这个原理设计出了优化结构的软件,用该软件设计轻型的高性能纤维复合材料。

有意思的是,虽然这个原理可以举出无数个实际例子说明,克劳斯•马特赫克却无法证明它的存在。因为这种平衡是在不断变化的,生命体在成长过程中不断调整自身的平衡。该原理可用于汽车制造、建筑架构等,从而达到优化结构、节约资源、提高安全性的多重目的。德国欧宝汽车公司的一位工程师使用马特赫克的优化软件后称,采用该软件设计的部件比传统设计的重量减少了25%,稳定性提高了60%。

参考及延伸阅读:发布在Ask Nature上的文章:Trunks and branches of trees withstand external stresses through load-adaptive growth,马特赫克所在院系是卡尔斯鲁厄大学材料研究二院生物机械系(Department of Biomechanics at the Institute for Materials Research II)

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