Topologically Biomimetic Multicellular Structures Inspired by Pine Nut Shells for Enhanced Energy Absorption

في عالم الهندسة، يمثل حماية البشر والآلات من الصدمات المفاجئة تحديًا مستمرًا. وسواء كان الأمر يتعلق بتجعد سيارة في حادث تصادم أو بقاء قمر صناعي صامدًا أثناء اهتزازات الإطلاق، فإن الهدف واحد: امتصاص الطاقة التدميرية دون الانهيار دفعة واحدة. تعتمد الحلول التقليدية غالبًا على أنماط بسيطة ومتكررة مثل هياكل قرص العسل أو الرغوة. ورغم أن هذه الحلول فعالة، إلا أن بها عيبًا؛ فبموجب الضغط الشديد، تميل إلى الانبعاج فجأة وتفقد قدرتها على امتصاص الطاقة، تمامًا مثل انهيار بيت من الورق. ومع ذلك، فقد أمضت الطبيعة ملايين السنين في تحسين الهياكل التي تكون خفيفة الوزن ومتينة بشكل مذهل في آن واحد. ومن خلال دراسة كيفية تنظيم الكائنات الحية لخلاياها لمقاومة الضرر، يأمل المهندسون في تصميم معدات وقائية أفضل، تكون أخف وزنًا وأقوى وأكثر موثوقية مما هو متاح حاليًا.

لقد توجه فريق من الباحثين في جامعة جنوب الصين إلى مصدر غير متوقع للاستلهام: القشرة الصلبة لثمرة الصنوبر. فهذه الأغلفة الواقية الصغيرة مصممة من قبل الطبيعة لحماية البذرة بداخلها من السقوط من الأشجار أو التعرض للسحق من قبل الحيوانات. ولفهم كيفية عملها، فحص العلماء أولاً القشرة تحت مجهر قوي، واكتشفوا أن القشرة ليست كتلة صلبة بل هي ترتيب معقد متعدد الطبقات من الخلايا الصغيرة. تتكون الطبقة الخارجية من خلايا سداسية منتظمة وصغيرة ومتراصة تعمل كدرع صلب. ومع الانتقال نحو الداخل، تصبح الخلايا أكبر حجمًا، وأقل انتظامًا في الشكل، وأقل كثافة قليلاً، مما يخلق تدرجًا يساعد القشرة على الانحناء وامتصاص الصدمات بدلاً من التحطم. هذا التصميم الطبيعي يوازن بين المظهر الخارجي المتين والداخل المرن، وهو مزيج تجد المواد الهندسية القياسية صعوبة في محاكاته.

قرر الباحثون ترجمة هذا المخطط البيولوجي إلى نوع جديد من الهياكل الاصطناعية. فقد طوروا طريقة لاستخراج الأشكال الأساسية من قشرة الصنوبر — المسدسات، والمتوازي أضلاع، والمثلثات — واستخدموها لبناء نموذج رقمي لشبكة متعددة الطبقات وخفيفة الوزن. كما أنشأوا أربع نسخ مختلفة من هذه الشبكة لاختبار أي ترتيب يعمل بشكل أفضل. كانت إحدى النسخ عبارة عن نمط قرص عسل قياسي ليكون بمثابة خط أساس، بينما مزجت النسخ الأخرى الأشكال السداسية ومتوازية الأضلاع والمثلثات بطرق متنوعة. وباستخدام عمليات محاكاة حاسوبية، قاموا بالضغط على هذه الهياكل الافتراضية بقوة ثابتة لمعرفة مدى صمودها. وأظهرت النتائج أن التصميم الذي يحاكي الترتيب المختلط لقشرة الصنوبر كان متفوقًا بمراحل. وقد ثبت أن نسخة محددة، والتي قامت بتوزيع أشكال متوازي الأضلاع والمثلثات بشكل متبادل، كانت الأقوى والأكثر صلابة، حيث تحمل حمولة أكبر لكل وحدة وزن مقارنة بنمط قرص العسل القياسي.

ولإثبات أن هذه النتائج حقيقية وليست مجرد تنبؤات حاسوبية، استخدم الفريق طابعات ثلاثية الأبعاد لبناء نماذج فيزيائية لهذه الهياكل باستخدام بلاستيك قابل للتحلل الحيوي. ثم وضعوا هذه النماذج المطبوعة في آلة ضغطت عليها ببطء، مع قياس مقدار الطاقة التي يمكنها امتصاصها بالضبط قبل الفشل. كانت النتائج مذهلة؛ فقد امتص أفضل تصميم مستوحى من ثمرة الصنوبر أكثر من خمس أضعاف الطاقة لكل جرام مقارنة بهيكل قرص العسل التقليدي. وبينما كان قرسل العسل ينهار فجأة بعد أول شرخ له، انبعج التصميم الجديد بطريقة مدروسة ومتتالية. لقد شكل سلسلة من الطيات الصغيرة المتتابعة التي سمحت للمادة بالاستمرار في العمل حتى أثناء سحقها. هذا "نمط الفشل التدريجي" يعني أن الهيكل يمكنه الاستمرار في حماية ما خلفه لفترة أطول بكثير، حيث يشتت الطاقة بثبات بدلاً من تمريرها دفعة واحدة.

كشفت الدراسة أيضًا عن درس بالغ الأهمية حول كيفية بناء هذه الهياكل. فعندما حاول الباحثون تكديم طبقات مختلفة من التصميم فوق بعضها البعض دون انتقال سلس، انخفض الأداء بشكل كبير؛ إذ أصبحت النقطة التي يلتقي فيها النمطان المختلفان نقطة ضعف حيث فشل الهيكل قبل أوانه. وهذا يشير إلى أنه لكي تعمل هذه التصاميم المستوحاة من الطبيعة بأفضل حالاتها، يجب أن يكون الانتقال بين الأجزاء المختلفة من الهيكل سلسًا، تمامًا كما هو الحال في قشرة ثمرة الصنوبر الطبيعية. ويؤكد هذا البحث أنه من خلال محاكاة الترتيب الطوبولوجي المحدد الموجود في الطبيعة — عبر خلط أشكال الخلايا المختلفة لإنشاء شبكة متدرجة ومستمرة — يمكن للمهندسين إنشاء مواد واقية أكثر كفاءة بمراحل من المعايير الحالية. ويقدم هذا النهج مسارًا واعدًا لتصميم مكونات أخف وأكثر أمانًا للسيارات والطائرات وغيرها من المركبات حيث يكون إدارة طاقة التصادم أمرًا بالغ الأهمية.