پژوهشگران با الهام از ساختار شگفت‌انگیز نوعی اسفنج دریایی به نام «سبد گل ونوس» (Venus’ flower basket)، نسل جدیدی از مواد فرامعماری (Metamaterials) ساخته‌اند که در عین وزن کم، مقاومت بالایی در برابر فشار و جریان سیالات دارند.
این اسفنج‌های شیشه‌ای که در عمق دو کیلومتری اقیانوس آرام زندگی می‌کنند، ساختاری لوله‌ای از جنس سیلیکا دارند که با وجود ظاهر ظریفشان، بسیار انعطاف‌پذیر اما مستحکم‌اند. همین ویژگی باعث توجه مهندسان به خود بود.
پژوهشگران دانشگاه‌های کالیفرنیا برکلی، هاروارد و دانشگاه فنی استانبول در مطالعه‌ای که نتایج آن در مجله Nature Communications منتشر شده، با الگوبرداری از هندسه این اسفنج‌ها، سازه‌هایی طراحی کرده‌اند که ویژگی‌های مکانیکی و رفتار آن‌ها در برابر جریان سیالات به‌صورت هم‌زمان بهینه شده است.
هدف اصلی تیم تحقیقاتی، ساخت سازه‌ای سبک و در عین حال مستحکم بود که بتواند بارهای سنگین را بدون شکست تحمل کند. در این میان، کنترل جریان هوا و آب نیز یکی از عوامل مهم در طراحی سازه به شمار می‌رفت.
وقتی باد یا آب از اطراف یک سازه عبور می‌کند، ممکن است در پشت آن گردابه‌هایی شکل بگیرد. این گردابه‌ها باعث ایجاد لرزش و فشارهای متناوب روی سازه می‌شوند و اگر ادامه پیدا کنند، می‌توانند به سازه آسیب بزنند. به همین دلیل، کنترل این پدیده یکی از چالش‌های مهم مهندسی در طراحی سازه‌هایی مانند پل‌ها و آسمان‌خراش‌هاست.
محققان برای حل این مشکل، صدها مدل هندسی مختلف را با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری، از جمله تحلیل اجزای محدود و دینامیک سیالات، بررسی و بهینه‌سازی کردند. پس از انتخاب طرح‌های مناسب، نمونه‌های نهایی با چاپ سه‌بعدی ساخته شدند و در شرایط آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفتند.
نتایج نشان داد که این طراحی‌ها می‌توانند مقاومت سازه در برابر فشار و کمانش را تا ۱۴۰ درصد افزایش دهند، در حالی که میزان نیروی پسا و شکل‌گیری گردابه‌های مخرب نیز کاهش پیدا می‌کند. به این ترتیب، طراحی جدید توانسته هم‌زمان دو مشکل ظاهراً متضاد، یعنی افزایش استحکام و کنترل بهتر جریان سیال را هدف قرار دهد.
کاستاس گریگوروپولوس، یکی از پژوهشگران این پروژه، می‌گوید نکته مهم این دستاورد، افزایش مقاومت بدون اضافه کردن حجم ماده است. در واقع، بخش قابل‌توجهی از این بهبود تنها با تغییر هندسه و نحوه چیدمان ساختار به دست آمده و نیازی به استفاده از ماده بیشتر برای تقویت سازه نبوده است.
این رویکرد می‌تواند کاربردهای مختلفی در مهندسی داشته باشد. قطعات سبک‌تر و مقاوم‌تر برای هواپیماها، سازه‌هایی که در معرض بادهای شدید قرار دارند و حتی خطوط لوله زیر آب، از جمله کاربردهای احتمالی این فناوری هستند. از طرف دیگر، طراحی‌های الهام‌گرفته از اسفنج دریایی می‌توانند در مهندسی پزشکی نیز مورد استفاده قرار بگیرند؛ برای مثال، در ساخت استنت‌هایی که باید ضمن حفظ استحکام، جریان خون یا سایر مایعات بدن را تا حد ممکن بدون ایجاد اختلال حفظ کنند.
این پروژه نمونه دیگری از این موضوع است که طبیعت، طی میلیون‌ها سال تکامل، راه‌حل‌هایی برای مشکلات مهندسی پیدا کرده که می‌توان آن‌ها را با ابزارهای مدرن شبیه‌سازی و ساخت، به فناوری‌های جدید تبدیل کرد.
