骨突破可能会导致飞机机翼更耐用

该小组的论文“骨骼启发的微体系结构实现了增强的疲劳寿命”已于11月18日在美国国家科学院院刊上发表。共同作者包括康奈尔大学的博士生Cameron Aubin和Marysol Luna;博士后研究员楼兰伯斯;普渡大学的Pablo Zavattieri和Adwait Trikanad;和Case Western Reserve University的Clare Rimnac。

数十年来，研究骨质疏松症的科学家一直在使用X射线成像技术分析骨骼​​的结构并查明强弱点。密度是通常与骨骼强度相关的主要因素，并且在评估该强度时，大多数研究人员着眼于骨骼一次可以承受多大的负荷。

但是由资深作家克里斯托弗·J·埃尔南德斯(Christopher J. Hernandez)领导的研究小组对Sibley机械和航空航天工程学院以及Meinig生物医学工程学院的副教授感兴趣，他们对长期疲劳寿命或可以承受多少次骨骼加载感兴趣打破之前忍受。

“了解材料疲劳特性的最佳方法是考虑一下汽车中经常发生断裂的零件，因此您必须将其送至商店。嗯，为什么会断裂?它显然足够坚固，因为它可以工作数月，数年，但还不错。但是在循环，反复循环之后，数千万次循环会中断。”埃尔南德斯说。“我们已经知道材料的这种特性已有150年了，它已经嵌入到我们所做的一切设计中。但是，没有多少人对这种骨骼进行过研究。”

骨骼的内部结构由垂直的板状支柱组成，这些支柱决定了过载时的强度。骨骼还具有水平的杆状支杆，其对强度的影响很小，本质上是“窗饰”。埃尔南德斯和他的团队怀疑建筑的其他方面很重要。主要作者使用新的计算机软件，Ashley Torres，MA '15，博士学位。'18，MBA '19，能够对骨骼样品进行更深入的分析，发现在承受长期磨损时，水平的杆状支杆对于延长骨骼的疲劳寿命至关重要。

威尔的附属机构特殊外科医院兼职科学家埃尔南德斯说：“如果只加载一次骨头，那就是它的密度，而密度主要取决于板状支杆。”康奈尔大学医学。“但是，如果您考虑某物可以承受多少个低振幅负载循环，这些小小的横向倾斜支柱是真正重要的。当人们变老时，它们首先会失去这些水平支柱，从而增加了骨骼从多个周期性断裂中断裂的可能性。负载。”

该团队使用3D打印机来制造由氨基甲酸酯甲基丙烯酸酯聚合物制成的仿骨材料。研究人员改变了杆的厚度，能够将材料的疲劳寿命提高多达100倍。

Hernandez预计，他的团队开发的增强型微结构格栅几乎可以集成到任何设备中，并且对航空航天行业特别有益，因为在航空航天工业中，超轻型材料需要承受巨大且反复的应变。

埃尔南德斯说：“飞机击中的每阵阵风都会在其上产生一个加载周期，因此飞机机翼在每次飞行中都会被加载数千次。”“如果要制造耐用的设备或轻便耐用的车辆，那么在零件破裂之前可以承受多少加载周期真的很重要。我们在本研究中得出的数学关系式让正在设计这些晶格结构之一的人能够在单一负载下平衡对刚度和强度的需求，以及承受许多许多较低级别的负载循环的需求。”