الإسفنج البحري تُلهم الجيل القادم من ناطحات السحاب والجسور – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

Marine sponges inspire the next generation of skyscrapers and bridges
(بقلم: ليخ باروز –  Leah Burrows) 

عندما نفكر في الإسفنج، فإننا نميل إلى التفكير في شيء ناعم وهادئ. لكن الباحثين في كلية الهندسة والعلوم التطبيقية بجامعة هارفرد يستخدمون الهياكل الزجاجية للإسفنج البحري كمصدر إلهام للجيل القادم من المباني الأقوى والأطول، والجسور الأطول والمركبات الفضائية الأخف وزناً.

في ورقة بحثية جديدة [٢] نُشرت في نشرة مواد الطبيعة (Nature Materials) ، أظهر الباحثون أن الهيكل العظمي [٢] المربّع المقوى قطريًا الشبيه بالشبكة لإسفنجة ايوبلكتيللا اسبرجيلوم (Euplectella aspergillum) ، وهي إسفنجة بحرية في المياه العميقة، لديه نسبة قوة إلى وزن أعلى من التصميمات الشبكية التقليدية التي استخدمت لقرون في تشييد المباني والجسور.

وقال ماتيوس فيرنانديز، طالب دراسات عليا في كلية الهندسة والعلوم بجامعة هارفرد والمؤلف الأول للورقة العلمية ماثيوس فرنانديز: “لقد وجدنا أن استراتيجية التعزيز القطري للإسفنج تحقق أعلى مقاومة للالتواء لكمية معطاة من المواد، مما يعني أنه يمكننا بناء هياكل أقوى وأكثر مرونة بواسطة إعادة ترتيب المواد الموجودة داخل الهيكل بذكاء”.

وأوضح جيمس ويفر، كبير العلماء في كلية الهندسة والعلوم بجامعة هارفرد وأحد مؤلفي الورقة البحثية: “في العديد من المجالات، مثل هندسة الطيران، تعتبر نسبة القوة إلى الوزن للهيكل أمرًا بالغ الأهمية” ، وأضاف: “يمكن أن توفر هذه الهندسة المستوحاة من الناحية البيولوجية خارطة طريق لتصميم هياكل أخف وزنا وأقوى لمجموعة واسعة من التطبيقات”.

إذا سبق لك أن مشيت عبر جسر مغطى أو قمت بتجميع رف تخزين معدني، فقد رأيت هياكل شبكية قطرية، التي تستخدم العديد من الحزم القطرية الصغيرة والمتقاربة لتوزيع الأحمال المطبقة بالتساوي. وقد تم تسجيل براءة اختراع هذه الهندسة في أوائل القرن التاسع عشر من قبل المهندس المعماري والمهندس المدني إيثيل تاون، الذي أراد طريقة لإنشاء جسور متينة من مواد خفيفة الوزن ورخيصة.

وقال فرنانديز: “طور المهندس تاون طريقة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة لتثبيت الهياكل الشبكية المربعة، والتي تستخدم حتى يومنا هذا بالذات”. وتابع: “إنها تنجز المهمة، لكنها ليست مثالية، مما يؤدي إلى إهدار المواد أو زيادتها عن الحاجة، وتحديد مدى ارتفاع ما يمكننا بناءه؛ وكان أحد الأسئلة الرئيسية التي تقود هذا البحث هو: هل يمكننا جعل هذه الهياكل أكثر كفاءة من منظور تخصيص المواد، باستخدام مواد أقل في النهاية لتحقيق نفس القوة؟”.

ولحسن الحظ، فإن الإسفنج الزجاجي، المجموعة التي تنتمي إليها ايوبلكتيللا اسبرجيلوم (Euplectella aspergillum) – والمعروفة أيضًا باسم سلة زهرة فينوس – كان لها سبق يقرب من نصف مليار عام في جانب البحث والتطوير للأشياء. ولدعم جسمها الأنبوبي، تستخدم ايوبلكتيللا اسبرجيلوم مجموعتين من الدعامات الهيكلية القطرية المتوازية، والتي تتقاطع وتندمج مع شبكة مربعة أساسية، لتشكيل نمط قوي يشبه رقعة الشطرنج. وقال ويفر: “لقد درسنا العلاقات بين الهيكل والوظيفة في أنظمة الهيكل العظمي الإسفنجي لأكثر من 20 عامًا، ولا تزال هذه الأنواع تفاجئنا”.

وقد كرر الباحثون هذا التصميم في المحاكاة والتجارب، وقارنوا بُنية الهيكل العظمي للإسفنج مع الأشكال الهندسية الشبكية الموجودة. وقد تفوق تصميم الإسفنج عليها جميعًا، حيث تحمل الأحمال الثقيلة دون إلتواء. وأظهر الباحثون أن البنية المزدوجة المتقاطعة المتوازية قد حسنت القوة الهيكلية الإجمالية بأكثر من 20 بالمائة، دون الحاجة إلى إضافة مادة إضافية لتحقيق هذا التأثير.

وقالت أستاذ الميكانيكا التطبيقية في كلية الهندسة والعلوم بجامعة هارفرد ومؤلفة التواصل للدراسة (Corresponding Author)  [٣] كاتيا بيرتولدي: “يوضح بحثنا أن الدروس المستفادة من دراسة أنظمة الهيكل العظمي الإسفنجية يمكن استغلالها لبناء هياكل مُحسَّنة هندسيًا لتأخير الإنثناء، مع تداعيات هائلة على استخدام المواد المحسَّن في تطبيقات البنية التحتية الحديثة”.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2020-09-marine-sponges-skyscrapers-bridges.html

الهوامش:

[١] ايوبلكتيللا اسبرجيلوم (Euplectella aspergillum) سلة زهرة فينوس (Venus’ flower basket) عبارة عن إسفنجة بحرية زجاجية من شعبة بوريفيرا، توجد في المياه العميقة للمحيط الهادئ. ومثل الإسفنج الزجاجي الآخر، تقوم ببناء الهياكل العظمية من السيليكا، وهو أمر له أهمية كبيرة في علم المواد لأنها لا تتطلب الحرارة لتشكيل المشابك الزجاجية، مما يجعل خصائصها تتفوق في بعض النواحي على الألياف البصرية المصنعة. وتتغذى عن طريق تصفية مياه البحر لالتقاط العوالق مثل الإسفنجيات الأخرى. (ويكيبيديا).

[٢] https://www.nature.com/articles/s41563-020-0798-1

[٣] مؤلف التواصل للدراسة (Corresponding Author of the Study) هو الفرد الذي، عند العمل على ورقة مع مؤلفين متعددين، يتحمل المسؤولية الأساسية عن التواصل مع المجلة التي تنوي النشر فيها. ويتواصل مع المجلة أثناء تقديم المخطوطة ومراجعة الأقران (Peer Review) وعملية النشر النهائية مع ضمان الالتزام الكامل بالمتطلبات الإدارية للمجلة. وعادة ما يجعل هذا المؤلف نفسه متاحًا طوال العملية للرد على الاستفسارات التحريرية. كما يجب أن يكون متاحًا أيضًا بعد النشر للرد على انتقادات العمل وأي أسئلة تطرأ، وللتعاون مع طلبات الحصول على بيانات أو معلومات إضافية. (ويكيبيديا)