Какие биоматериалы с более высокой прочностью на сжатие, чем кость, я могу использовать для создания больших, но пропорциональных гуманоидов?

Одна из многих проблем с созданием очень-очень больших существ заключается в том, что их кости, в конце концов, не в состоянии поддерживать собственный вес. В конце концов, они становятся только ногами, а не телом. Это особенно проблематично при попытке сделать что-то гуманоидное, но больше обычного, потому что вам нужно сделать ноги слоновьими, чтобы они могли выдержать вес всего остального. Закон квадрата-куба, как правило, является занозой в тылу при выполнении таких вещей.

Очевидное решение этой проблемы состоит в том, чтобы сделать более качественные кости/поддерживающие структуры, которые могут выдерживать большее сжимающее усилие на единицу костной массы, а это означает, что вы можете использовать их меньше, а это означает, что вам не нужно делать непропорционально широкие кости. конечности, чтобы противодействовать массе существа.

Я рассматривал возможность использования смеси гетитовых нановолокон/белка, используемой в зубах блюдечек, которая имеет прочность на растяжение 3-6,5 гигапаскалей , но я не думаю, что эта прочность на растяжение переводится в прочность на сжатие , необходимую для создания эффективной кости, поскольку прочность на растяжение является мерой прочности вещества при растяжении , тогда как прочность на сжатие является мерой прочности вещества при сжатии .

Итак: какие биологические вещества прочнее костей?

В качественных ответах на этот вопрос будет указано вещество, которое попадает в следующие четыре категории:

  • Либо способный быть обработанным земной биологией, либо способный быть построенным из метаболизируемых подкомпонентов самого себя земной биологией. Пожалуйста, никаких инертных газов или нереакционноспособных веществ, хотя мне интересно, как они могут быть подходящим ответом на это. Обратите внимание, что те зубы блюдца, о которых я упоминал ранее, сделаны из такого метаболизируемого вещества, в том смысле, что блюдечко превращает железо в ферригидрит , который затем зарождается и превращается в кристаллы гетита (то есть в те нановолокна, о которых я упоминал ранее).

  • Прочнее кости с точки зрения прочности на сжатие. Кость имеет прочность на сжатие 170 мегапаскалей . Я хочу больше. Я могу беспокоиться о сдвигающих нагрузках позже или противодействовать им, обернув сжимающее ядро ​​​​кости (то есть то, что несет вес) биологически выращенной броней с промежутками между зубьями блюдца и костным мозгом между ними в качестве амортизатора.

  • Ни вода, ни мышцы. Я не хочу гидростатических скелетов или мускулистых гидростатов .

  • Должно быть возможно на Земле. Нет замороженных углеводородов. Особенно без нейтрония. Нет, даже немного. Плохая биржа стека. Плохой. Уронить. Бросьте нейтроний. Хороший мальчик.

Обратите внимание, что меня не интересует определение того, какое эволюционное давление может привести к принятию такого материала в качестве поддерживающей конструкции; мы говорим о безумной науке и границах возможного, а не о скучной старой эволюции. Меня также не интересует, как это может повлиять на биологию существа, к которому оно прикреплено, то есть на такие вещи, как проблемы с кровотоком или повышенные потребности в питании. Меня интересует только то, существуют ли биоматериалы с большей прочностью на сжатие, чем кость.

Помечен как «научно обоснованный», потому что я хочу, чтобы это был настоящий материал, а не handwavium , но и не «жесткая наука», потому что, что бы это ни было, вероятно, оно никогда не использовалось в поддерживающей структуре в реальной жизни.

На самом деле это не связано с биоматериалами, так что это комментарий, но вы, возможно, захотите изучить структуры тенсигрити. Они не обойдут SCL, но вы можете получить довольно большие самонесущие конструкции (возможно, тела?), выделив меньше физического пространства на строительство специальных опор.
Not toxic, poisonous, cancer-inducing, or otherwise harmful to Earthly biology. No heavy metals. No toxins. - почему? если ваши большие люди развиваются с этим, они, очевидно, невосприимчивы. если они производятся, то технология достаточно продвинута, чтобы защитить от этих материалов. так что я думаю, что это своего рода не проблема. также: насколько большим вы хотите стать? и что вы думаете об артериальном давлении - несколько сердец? активно прокачивает вены?
@FranzGleichmann Меня не беспокоят проблемы с кровотоком. Однако, если подумать, это кажется произвольным. Я избавлюсь от этого.
Какого размера вы их хотите? Есть много экземпляров выше 250 см, и у них все в порядке с костяком ноги. -- Также: почему кровоток не важен? область подошвы невероятно сжата, как и любые сдавливающие суставы, и все они нуждаются в кровообращении
Кроме того, прочность на сжатие не является здесь ограничивающим фактором, кости могут сломаться из-за деформации.
Стоит отметить, что, вообще говоря, внутри класса материалов (например, камнеподобных минералов) сохраняется определенное соотношение между прочностью на растяжение и прочность на сжатие, и большинство из них имеют гораздо более высокую прочность на сжатие, чем прочность на растяжение. Однако, как отмечает @bukwyrm, жесткость (сопротивляющаяся короблению) также является важным фактором.
Также следует учитывать структуру используемого материала. Где кость представляет собой, более или менее, трубку со случайным перекрещиванием латуса для увеличения прочности и в то же время облегчения. Нановолокно может быть нанесено в виде многослойных листов, чтобы сформировать трубку, а затем, возможно, в сотовую структуру под ней.
А как насчет пневматической системы доставки энергии, такой как у зауроподов, которая снижает структурные требования к костному материалу за счет уменьшения массы существа, но при этом позволяет ему масштабироваться? Это один из способов избежать некоторых сверхматериальных требований.
обратите внимание, что нейтроний, вероятно, не будет оставаться стабильным очень долго... и, что более важно, нейтроний только внесет свой вклад в закон квадрата-куба, а не поможет ему... нет смысла иметь крепкие кости, если вам нужен корабль размером с планету. мышцы, чтобы двигать его в конце концов
@somebody Как я уже сказал, нейтрония нет.
@KEY_ABRADE Я хочу сказать, что нейтроний даже отдаленно не близок к жизнеспособному ответу, то есть его даже не стоит упоминать в вопросе.
@somebody Это была шутка.
Я не понимаю. У слонов могут быть эти крошечные волшебные кости, но их ноги все равно будут такими же большими. Ноги должны быть способны перемещать предмет над ними. Handwave 'поддержите' все, что вы хотите; это должно быть в состоянии сделать вещь. Нельзя обойти закон квадрата-куба. Нет. - Вам нужно тело , которое не состоит на 80% из воды и тяжелых жиров.
@pygosceles — «пневматическая система доставки энергии, такая же, как у зауроподов» — скажите, что сейчас?
@Mazura тривиально верно, что любой смежный или периодически смежный сосуд, содержащий газ, является формой доставки энергии через соединенные пространства и, в более широком смысле, является формой распределения энергии и несет нагрузку, когда герметичен по отношению к другим пространствам. Независимо от того, приводится ли оно в действие специально сконструированными клапанами с целью передачи давления газа между сосудами, чтобы вызвать движение, или скрыто из-за обычных напряжений и движений мышц и связок, подвижное существо будет активно использовать пневматические характеристики для распределения нагрузки и максимизации эффективности своих движений. .

Ответы (4)

Силикагель - сети кремния и кислорода с общей формулой SiO2.

Диатомовые водоросли делают из него свои раковины. Растения включают его в свои клеточные стенки. Губки делают из него свои спикулярные скелеты.

Вам просто нужно масштабировать его. Вместо того, чтобы строить микроскопические оболочки или составную матрицу из крошечных спикул и коллагена/целлюлозы, просто продолжайте наносить все большие и большие слои прямого кремнезема.

Самой простой формой для отложения объемного кремнезема, вероятно, будет опал (гидратированный аморфный кремнезем), который будет выглядеть потрясающе, но не суперпрочен — хуже, чем обычная кость. Но если вы можете заставить организм исключать воду и просто производить макроскопические твердые куски чистого кремнезема, вы получаете прочность на сжатие около 1100 МПа.

И если вы хотите пойти немного дальше... Сапфир

Сапфир — это оксид алюминия Al2O3. Он имеет прочность на сжатие 2 гигапаскаля , поэтому, даже если вы допускаете некоторые потери при включении его в биологический композит, вы все равно начинаете намного раньше, чем натуральная кость. В настоящее время неизвестно, играет ли алюминий какую-либо существенную роль в биологии, но он биодоступен в ионной форме (например, в виде цитрата алюминия) и накапливается в биосфере, поэтому он должен быть доступен в обычных пищевых продуктах — и если биология сможет справиться с откладывая кристаллы окисленного железа, я уверен, что можно придумать что-то для осаждения окисленного алюминия!

Это немного похоже на то, что вам нужны кости из стекла или бетона. Как они собираются справляться с нагрузками, которые выдерживают настоящие кости? Несколько цитат было бы неплохо.
@DWKraus Не моя проблема. Вопрос конкретно и узко о прочности на сжатие.

Композиты из морского ушка и хитина (и инженерия динозавров):

Без создания отдельных материалов трудно обещать, что полученные вещества будут суперматериалами. Но исследования материалов для искусственного костного трансплантата предполагают вероятный композит. Гидроксиапатит имеет тенденцию быть хрупким, поэтому исследуются более гибкие материалы. Еще одну прекрасную статью о керамике из биоматериалов, таких как кость и перламутр, можно найти ЗДЕСЬ .

  • NACRE , также известный как перламутр, обладает большой прочностью композита. Благодаря этим свойствам искусственный перламутр разрабатывается как материал. Он имеет чрезвычайно высокий модуль Юнга , который является общей оценкой прочности, и имеет прочность на сжатие 300-500 МПа . Он состоит из небольших пластин, кирпичиков, шестиугольников или дисков из арагонита , которые затем разделены эластичными биополимерами. В исследовании перламутра по сравнению с китовой костью перламутр превзошел кость в исследованиях прочности, при этом кость была слабее и более хрупкой.
  • Вашему материалу потребуется вязкоупругий слой между пластинами (пластинками) арагонита, состоящий из материала полисахаридного типа. Я бы предложил шелковый или хитиновый материал, так как он уже давно используется для этой функции, а хитин может окружать и заполнять там, где перламутровые стеки этого не делают.

В отличие от более экзотических материалов, таких как графен, они производятся биологически с помощью современной биологии и не требуют, чтобы ваши организмы заново изобретали колесо (биологически говоря).

  • Дизайн от Dinos : я подозреваю (но я не биоинженер), что закон квадрата-куба ударит ваших великанов по суставам раньше , чем этот материал выйдет из строя. Давление на суставы уже является ограничением для людей, и регенеративный и устойчивый к артриту дизайн сустава будет иметь важное значение для долгосрочного успеха вашего ответа. Вы также можете изучить структуру костей динозавров , чтобы понять, как конструкция костей динозавров могла способствовать их способности выдерживать больший вес.

Микроструктура перламутра

Быстрый поиск в Википедии выдает список биоматериалов с соответствующей прочностью на сжатие.

Сообщается, что кортикальная кость имеет прочность на сжатие 100-230 МПа, в то время как гидроксиапатиты указаны в 500-1000 МПа.

Гидроксиапатит, также называемый гидроксиапатитом (ГА), представляет собой встречающуюся в природе минеральную форму апатита кальция [...] До 50% по объему и 70% по весу человеческой кости представляет собой модифицированную форму гидроксиапатита, известного как костный минерал. Карбонизированный кальций-дефицитный гидроксиапатит является основным минералом, из которого состоят зубная эмаль и дентин. [...] Гидроксиапатит присутствует в костях и зубах; кость состоит в основном из кристаллов ГК, вкрапленных в коллагеновую матрицу — от 65 до 70% массы кости составляет ГК. Точно так же ГК составляет от 70 до 80% массы дентина и эмали зубов. В эмали матрикс для ГК образован амелогенинами и эмалинами вместо коллагена.

Подводя итог, похоже, что природа уже проделала хорошую работу по настройке общей производительности костей.

И я держу пари, что если вы увеличите HA-часть кости, вы потеряете много других необходимых качеств, таких как гибкость и так далее.
Ага. Кости достаточно гибкие и должны поглощать удары, а также стресс. Если вы сломаете кость, она может срастись, но если вы сломаете зуб, он исчезнет навсегда. Иметь кости, сделанные из зубной эмали, было бы парализующей инвалидностью.

Камень.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Acropolis_-_column_of_the_Propylaea.jpg

введите описание изображения здесь

https://pubs.naturalstoneinstitute.org/pub/2c4ec57c-aef5-8a85-16e0-106c5cada13c# :

Более высокая прочность на сжатие указывает на то, что камень может выдерживать более высокую нагрузку на дробление. Требуемые значения варьируются от 1800 фунтов на квадратный дюйм (12,45 МПа) для мрамора до 19000 фунтов на квадратный дюйм (131 МПа) для гранита.

Ваши животные, конечно, не будут делать камни, но найдут подходящие камни и вложат их в свои тела. Другие животные используют предметы окружающей среды, выбранные по твердости — на ум приходят крабы-отшельники, использующие в качестве панцирей найденные раковины (или что-либо другое подходящего размера и формы).

Ваши существа будут находить камни и включать их в качестве несущих элементов. Я представляю их сложенными, как столбец выше, так же, как сложен наш собственный позвоночный столб. Камни будут удерживаться на месте сухожилиями и связками, как и наши кости. Это могут быть эндоскелеты или экзоскелеты.

Интерфейс камень-камень естественным образом изнашивается по мере движения животного, образуя интерфейсы один к другому. Следствием этого является то, что ранее использованные камни мертвых гигантов уже будут иметь износ и поэтому будут лучше работать в качестве элементов скелета, чем свежие камни с только абиогенным износом.

Мне нравится идея технологически продвинутых инопланетян, которые приносят этим гигантам подарки: металлические элементы скелета с керамическим покрытием. Теперь гиганты могут стать действительно большими!

Нормальная обычная кость по сути является биокамнем.
@ZeissIkon Согласен. Но биокамень не такой прочный, как гранит.
Таким образом, в основном то, что вам нужно, чтобы этот ответ сработал, - это ... аморфная и гиперадаптивная масса плоти / органов, которая имеет тенденцию быть довольно маленькой и неспециализированной по форме, но может принимать твердые объекты для использования в качестве структурной поддержки и в основном строить свой собственный скелет ?
Самая высокая прочность на сжатие, которую я нашел для гранита, составляет 200 МПа; в большинстве ссылок оно составляет около 130–150 МПа. Это немного слабее, чем кость: например, человеческая бедренная кость имеет прочность на сжатие в продольном направлении около 205 МПа.
@ Марк, ты знаешь, мне больно, когда люди точно комментируют, как я был неправ, и я чувствую эту боль сейчас. Так что благодаря вам эти гиганты не могут использовать любой камень. Это должны быть кристаллы кварца с прочностью на сжатие 2,2 - 2,7 ГПа. . Кварц не супер редкость. Хрустальные скелеты в любом случае более фантастичны. Джейд может быть лучше, если они смогут его получить.
@ Уиллк, конечно, проблема с кристаллами кварца, я думаю, заключается в прочности отдельных кристаллов кварца. что, конечно, было бы довольно редко в природе
не то, чтобы кварц, состоящий из нескольких кристаллов, обязательно был бы слабым - по-видимому, плавленый кварц может иметь прочность на сжатие > 1 ГПа - но, конечно, я почти уверен, что плавленый кварц не встречается в природе.
Конечно, стоит отметить несколько моментов — камни твердые , и поэтому это только ухудшит закон квадрата-куба. Другая проблема заключается в том, что им придется регулярно заменять камни на более крупные по мере их роста, и логистика этого просто... странная. не говоря уже о том, что это не ответ, учитывая, что ОП запрашивает (возможно) биологические вещества.
Раки-отшельники, вы все! Раки-отшельники используют камни в качестве структурной поддержки! Я знал, что должен был поместить туда изображение краба-отшельника.
Какие биоматериалы с более высокой прочностью на сжатие, чем кость, я могу использовать для создания больших, но пропорциональных гуманоидов?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v