Nowy materiał może ograniczyć skutki wypadków drogowych, ratując zdrowie i życie tysięcy ludzi
Urszula Lesman
Wygląda na to, że wreszcie się to udało. Inżynierowie z Uniwersytetu Kolorado w Boulder i Sandia National Laboratories opracowali nowy projekt wyściółki, która jest w stanie wytrzymać naprawdę silne uderzenia. Innowacyjny projekty, który można wydrukować na drukarkach 3D, może pewnego dnia znaleźć zastosowanie w kontenerach transportowych a także ochraniaczy dla sportowców uprawiających sporty kontaktowe, czyli we wszystkim, co pomaga chronić delikatne przedmioty lub ciała.
Tradycyjne pianki mają feler
Robert MacCurdy, autor badania i adiunkt na Wydziale Inżynierii Mechanicznej im. Paula M. Rady na UC twierdzi, że nowy materiał będzie idealny do zastosowania w barierach ochronnych na autostradach, nakolannikach i nałokietnikach oraz w transporcie. Badanie rzuca świeże spojrzenie na coś, z czym większość ludzi spotyka się cały czas, ale rzadko na to zwraca uwagę: pianki. Są to miękkie materiały wypełnione niezliczonymi maleńkimi dziurkami i kanałami. Tradycyjne pianki mogą dobrze amortyzować uderzenia, ale mają poważną wadę: jeśli uciśnie się je wystarczająco mocno, ostatecznie skompresują się w sztywny zwitek.
Zespół Roberta MacCurdy stworzył algorytmy komputerowe, aby przeprojektować wnętrze materiałów amortyzujących tak, by umożliwiając im wyginanie się pod wpływem siły, ale tylko według dokładnego wzoru. Kiedy grupa przetestowała swoje projekty w laboratorium, odkryła, że zaprojektowana przez nich wyściółka może wchłonąć aż o 25 proc. więcej siły niż obecne, najnowocześniejsze technologie. Naukowcy wyjaśniają, że aby zrozumieć, dlaczego niektóre poduszki sprawdzają się dobrze, a inne nie, warto zajrzeć głęboko do środka. Na przykład tym, co nadaje piance sprężystość, są te liczne małe zakamarki. Kiedy ściska się gąbkę, te puste przestrzenie zaczną się zamykać, co z kolei pochłania energię. Niektórzy inżynierowie wyszli poza ten podstawowy projekt. Zamiast tego tworzą wyściółkę z sieci sześciokątnych wież lub „krat płytowych”, które wyglądają trochę jak plastry miodu. Jeśli na przykład sportowiec zderzy się z tego rodzaju poduszką, uderzenie spowoduje, że plastry miodu zapadną się, tworząc falę. To skuteczniejszy sposób pochłaniania sił.
Badacze od dawna poszukiwali wyściółki spełniającej złoty standard – technologii, która nie tylko pochłania dużo siły, ale może także absorbować wiele różnych rodzajów sił z tą samą finezją. – Jeśli jedziesz na rowerze i ulegniesz wypadkowi, nie wiesz, czy będzie to uderzenie przy małej, czy przy dużej prędkości. Ale niezależnie od tego oczekujesz, że Twój kask będzie dobrze się sprawował – powiedział Robert MacCurdy, cytowany przez scitechdialy.
Sztuczna inteligencja i sieć plastrów miodu
Aby stworzyć bardziej wszechstronną poduszkę, MacCurdy i jego współpracownicy zdecydowali się na zmianę aranżacji wnętrz tych obiektów w skali milimetrowej lub mniejszej. Grupa najpierw użyła niestandardowego oprogramowania do ułożenia sieci plastrów miodu, a następnie zmodyfikowała je, dodając kilka załamań, przypominających miechy w akordeonie. Te załamania pomagają prowadzić plastry miodu, gdy odkształcają się podczas uderzenia, umożliwiając znacznie płynniejsze zapadanie się.
Naukowcy chcieli także upewnić się, że ich wyściółka wytrzyma uderzenia w prawdziwym świecie. Za pomocą drukarki 3D stworzyli bloki wielkości małej cegły ze sprężystego materiału zwanego termoplastycznym poliuretanem. Następnie ścisnęli je za pomocą maszyny wytrzymałościowej. Grupa odkryła, że bloki mogą absorbować około sześć razy więcej energii niż standardowe pianki wykonane z tego samego materiału i do 25 proc. więcej niż inne konstrukcje o strukturze plastra miodu. MacCurdy i jego współpracownicy pracują obecnie nad dalszym udoskonaleniem projektu z wielu różnych rodzajów materiałów, od sprężystych tworzyw sztucznych po twardsze substancje, takie jak aluminium.
