Wäre Kohlefaser eine gute Wahl, um menschliche Knochen zu stärken, und wie würde das funktionieren?

Hintergrund

Hallo zusammen, ich überdenke meine Überlegungen zur plausiblen Stärkung des menschlichen Skeletts, um den Belastungen des Kampfes besser standzuhalten, insbesondere im Nahkampf. Wenn Ihnen der Hintergrund egal ist, fahren Sie zwei Absätze weiter mit „Die Frage“ fort.

In meiner Umgebung haben Space Marines (im Sinne von Soldaten, die Raum-/Raumschiffe entern, nicht die Art von Warhammer) immer den Nahkampf während Enteraktionen bevorzugt. In den frühen Tagen der Raumfahrt benutzten die Menschen noch kinetische Waffen, um sich zu verteidigen, und diese Praxis ist auf Planeten weit verbreitet. An Bord von Raumschiffen stellte sich jedoch schnell heraus, dass die Schotten, die die kriegführenden Marines und die Leere voneinander trennten, der Herausforderung von Metallsplittern, die mit obszöner Geschwindigkeit umherflogen, nicht gewachsen waren.

Anstatt darauf zu warten, dass die Raumschiffhersteller dies nachholen, wechselten viele Piratenfraktionen zu Nahkampfwaffen wie Schwerter, Speere und Schilde. Diese Schilde sind der Schlüssel: Da sie aus einer MacGuffinite-Legierung bestehen (bin noch nicht dazu gekommen, sie zu benennen), können sie die meisten kinetischen Kleinwaffenfeuer mit sehr minimalem Schaden für den Benutzer stoppen. Dies führte dazu, dass Wachmannschaften und schließlich das Space Marine Corps ähnliche Waffen übernahmen. Heutzutage hat sich eine fortgeschrittene und uralte Rasse von Menschen von einem anderen Planeten aus verschiedenen Gründen entschieden, die Biologie ihrer Marines an diesen neuen Nahkampf anzupassen, um die obszön komplizierten und finnisch angetriebenen Rüstungen, die andere Fraktionen verwenden, nicht zu benötigen.

Die Frage

Nun werde ich in einer anderen Frage auf Änderungen an der Gesamtstruktur (z. B. Knochenform, Platzierung usw.) eingehen. In diesem Fall befasse ich mich mehr mit den Materialien, der Zusammensetzung und der Struktur der Knochen und Bänder selbst. Zunächst einmal habe ich irgendwo gesehen, dass jemand vorgeschlagen hat, die Knochen mit einer Knorpelmembran zu überziehen. Nun, was wäre, wenn wir das auf die nächste Ebene bringen und das mit Kohlefaser verweben würden? Könnten wir auch tatsächlich eine Art Kohlefaser-"Bewehrungsstab" in den Knochen selbst einbetten und möglicherweise sogar einen Kern aus steiferem CF (ähnlich dem Zeug, aus dem neue schicke Fahrräder hergestellt werden) enthalten? Dies führt zu einer weiteren Sorge: Ist es plausibel, dass es bestimmte Enzyme in den Zellen des Skelettsystems gibt, die in der Lage sind, diese Kohlenstofffaser-Matrix, eine Art Kohlenstoff-Fibrase, zu synthetisieren und abzubauen? Was die Bänder betrifft,

Könnte alternativ in diesem Zusammenhang aus mechanischen oder chemischen Gründen ein anderes Material der Kohlefaser vorgezogen werden? Ich dachte an Kohlefaser, weil wir schließlich Lebensformen auf Kohlenstoffbasis sind, und ich denke, dass die Materialien, um sie herzustellen, nicht gerade schwer in der Ernährung zu finden sind. Außerdem ist das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht meines Wissens im Vergleich zu Knochen hervorragend. Beachten Sie auch, dass ich möchte, dass dieser Metamensch viel stärker ist als ein normaler Mensch, also ist dies ein weiterer Grund, sein Skelett zu stärken, um besser mit den erhöhten Belastungen fertig zu werden, die von seiner Muskulatur ausgeübt werden.

Danke im Voraus für eure Antworten!

Daher glaube ich nicht, dass Kohlefaser natürlich vorkommen kann, weil es immer schwierig sein wird, sie in die richtige Form zu bringen. Wir haben Kohle und Graphen und Diamanten, die alle aus Kohlenstoff bestehen, also wird es schwierig sein, sie in die Faserformen zu bringen. In Sachen Plausibilität kannst du es aber einfach in deiner Story verwenden. Erinnerst du dich an den Erfolgsfilm AVATAR? mit den riesigen blauen Menschen, die kohlefaserverstärkte Knochen hatten? Es ist eine Nebenlinie, die dem Film nicht viel hinzufügt. Wenn Sie nicht tief in die Anatomie Ihres Meta-Menschen eintauchen und sie im Detail erforschen möchten, müssen Sie sich nicht zu sehr darauf konzentrieren.
Ja, daran erinnere ich mich. Diese Linie war eigentlich das, was mich davon abhielt, die Knochen selbst aus einem härteren Mineral zu machen und das vorhandene Hydroxylapatit zu verstärken. Anscheinend ist die Kalziumspeicherkapazität der Knochen extrem wichtig für Muskeln und Nerven oder so. Ich nehme an, die Plausibilität ist nicht allzu wichtig, aber ich frage mich nur, ob es innerhalb der Grenzen fortgeschrittener (aber nicht pseudomagischer) Biotechnik machbar sein könnte.
Vielleicht könntest du dir ein paar Ideen von Wolverine leihen. Er hat Adamantium mit seinem gesamten Skelett verschmolzen.
Ich bin mir nicht sicher, ob mir die Idee von Metall- oder metallbeschichteten Skeletten gefällt. Ich erinnere mich, irgendwo gelesen zu haben, dass er ungefähr 300 Pfund wog, obwohl er nur ungefähr 5 Fuß 3 Zoll oder so groß war. In Umgebungen mit geringer Schwerkraft vielleicht kein großes Problem, aber in einer 2G-Umgebung könnte es leicht außer Kontrolle geraten. Verdammt, sogar 1,5 G könnte ein Problem sein, was die Schwerkraft ist, die auf den Raumschiffen der Hauptantagonistenarten gehalten wird (ihr Planet ist eher wie 2 G, aber sie halten es niedrig, um Reaktortreibstoff zu sparen).
Ehrlich gesagt können Knochen bereits stärker sein als sie sind, ihr Ziel ist es nicht, Knochen zu entwickeln, die viel stärker sind als das Gewebe, das sie aneinander hält. Der schwierige Teil ist Anhaftung,
Es gibt tatsächlich einen Podcast über einen Typen, der seine Knochen (schmerzhaft) mit anderen Materialien verstärkt hat. Ich kann mich nicht erinnern, ob er Kohlefaser ausprobiert hat, aber mit genug Suche finden Sie vielleicht den Podcast. Es tut mir leid, dass ich mich nicht an den Namen erinnere, aber es war kein obskurer Podcast und wurde vor etwa 2-3 Jahren ausgestrahlt.

Antworten (4)

Kevlar

Kevlar wäre wahrscheinlich die bessere Wahl als Verstärkungsfaser: Es ist fast so stark pro Gewicht und stoßfester . Und was man unbedingt vermeiden will, ist ein Bruch, also ist Stoßfestigkeit wichtig.

Der Mechanismus wäre jedoch größtenteils derselbe.

Implantate

Absolut nicht, es sei denn, Sie tauschen die gesamten Knochen und Bänder auf einmal aus. Wenn Sie versuchen, Platten oder Stangen oder ähnliches auf die Knochen zu legen, dann werden stattdessen nur die Stellen brechen, an denen sie befestigt sind, und das künstliche Teil wird die Verletzung wahrscheinlich verschlimmern, wie ein stumpfes Messer, das um Sie herum bewegt wird . Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass Sie den Körper dazu bringen möchten, die Verbesserungen selbst wachsen zu lassen, aber wenn Sie mit Implantaten arbeiten möchten, können Sie Ersatzknochen, -bänder und -muskeln außerhalb des Körpers herstellen und sie implantieren - aber der Körper, der sie selbst wachsen lässt, könnte dies getan haben einigermaßen plausibel während der Evolution erschienen . So viel von einem Körper durch künstlich gewachsenes Zeug zu ersetzen, erfordert ein extrem hohes technologisches Niveau .

Wie man die Fasern anordnet

Wenn der Körper Kohlenstofffasern anbauen könnte, würde er die Knochen in ihrer jetzigen Form (oder aus einem etwas anderen Material) als Matrix verwenden, die einzelne Kohlenstofffasern umgibt und sie zusammenklebt. Die Kohlenstofffasern könnten entweder den gesamten Querschnitt oder nur einen äußeren Ring durchziehen und müssten in Bezug auf die Länge des Knochens gerade oder spiralförmig mit unterschiedlicher Steilheit sein, je nachdem, welcher Knochen und wie er normalerweise belastet wird.

So entsteht der Knochen-Faser-Verbund

Ich bin mir nicht sicher, wie Knochen normalerweise wachsen, aber es wäre am plausibelsten, Kohlefasern wie Haare wachsen zu lassen und gleichzeitig die Knochenmatrix um die Fasern herum wachsen zu lassen. Das Ding, das die Kohlenstoff-"Haare" züchtet, müsste in der Lage sein, sich zu drehen, um die erwähnten Wendeln zu erzeugen, die für einige Lasten optimal sind.

Oder wenn Sie mit einem dünnen Knochen beginnen, dann müssten die "Haare" gleichzeitig mit einer neuen äußeren Knochenschicht entlang der Knochenoberfläche wachsen. Das klingt komplizierter, aber vielleicht ist es möglich, die Follikel zu bewegen, die die Kohlenstofffaser wachsen lassen.

Wie man nach einem Bruch repariert

Entweder durch den sehr harten Prozess des Wiederverbindens der Enden jeder gerissenen Faser oder realistischer durch Hinzufügen neuer Fasern an der Außenseite, sodass der Knochen bei gleicher Stärke merklich dicker als zuvor wird.

Sehnen und Muskeln

Nachdem Sie die Knochen gestärkt haben, müssen auch die Sehnen und Muskeln gestärkt werden, sonst werden sie zum Schwachpunkt. Das kann im Prinzip genauso funktionieren, nur dass bei einem flexiblen Material, bei dem es nur auf Zugfestigkeit ankommt, die Fasern nicht durch die Matrix miteinander verbunden und somit starr fixiert sind, sondern in ein flexibles Material eingebettet sind (zum Beispiel das gleiche Material wie bei echten Sehnen und Muskeln).

Warum ich denke, dass Sie die Existenz von faserproduzierenden Follikeln einfach annehmen können

Nun, am Anfang bin ich davon ausgegangen, dass der Körper Kohlefaser wachsen lassen kann (wenn er das kann, dann wie ein Haar, alles andere ist vergleichsweise sehr schwierig). In der Industrie ist dies extrem energieintensiv und verwendet extrem hohe Temperaturen. Es gibt offensichtlich keinen bekannten Organismus, der dies mit einer vernünftigen Energiemenge bei niedriger Temperatur tun kann (andernfalls würden Kohlenstofffasern daraus geerntet), aber es gibt keinen physikalischen oder chemischen Grund, warum ein solcher Organismus nicht existieren könnte. Sie können das also einfach annehmen, wenn Sie möchten, und die Erklärungen, die ich oben gegeben habe, sollten ausreichen, um dem Leser einen Teil des Mechanismus zu erklären, ohne ihm einen Vortrag über Chemie und Biologie zu halten.

Entschuldigung, dass ich so lange gebraucht habe, um darauf zurückzukommen, ich war eine Weile nicht am Computer. Diese Antwort scheint mir die Informationen zu geben, nach denen ich gesucht habe, nämlich einen plausiblen Weg, Knochen mit Kohlefaser oder ähnlichem zu verstärken. Wenn ich es mir ansehe, denke ich, dass Kevlar tatsächlich die bessere Wahl sein könnte, wie Sie gesagt haben. Jetzt bleibt nur noch herauszufinden, ob dies vom Körper organisch durchgeführt werden kann, im Gegensatz zu den industriellen Techniken, die wir heute verwenden.

Reality-Check

(WARNUNG! Schauen Sie sich das dritte Bild nicht an, wenn Sie zimperlich sind.)

Wahrscheinlich nicht. Implantate sind offensichtlich eine Sache, aber die Realität, sie in den Körper einzusetzen, wird zumindest ihre Verwendung ausschließen. Knochen sind von einer Gewebeschicht namens Periost bedeckt. Eine Hauptfunktion ist der Aufenthalt von Osteoblasten, die neuen Knochen bilden. Es ist keine sehr robuste Gewebeschicht, daher wird es nicht viel nützen, sie mit Kohlefaser zu verweben.

Sie möchten eigentlich den Knochen selbst stärken. Kohlefaser ist eine vernünftige Wahl und wird bereits in der Chirurgie eingesetzt, daher ist die Technologie solide. Dieser Teil besteht also den Reality-Check -Test. Andere verwendete Materialien sind Titan und Edelstahl. Zwei Wege bieten sich an, aber keiner ist schön.

Platten

Eine besteht darin, vorgewählte Knochen mit Platten zu versteifen. Frakturen stabilisieren wir bereits mit Platten. Was Sie tun möchten, ist, Knochen zu versteifen, um Brüche zu verhindern.

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Stangen

Alternativ können Sie den Markraum aufbohren und einen Metallstab an der Innenseite des Knochens nach unten schieben.

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Ähnliche Platten und Stäbe gibt es auch für das Handgelenk, die Oberschenkel und die Waden. Grundsätzlich können Sie überall am Körper, wo Sie einen Teller anbringen möchten.

Vor-und Nachteile

Positiv ist, dass Kohlefaser bereits als Material für chirurgische Implantate verwendet wird. Das erste Bild oben scheint eine Kohlefaserverbundplatte zu sein.

Auf der negativen Seite betrachtet jeder, der sich dieser Behandlung unterzieht, mehrere anfängliche Operationen (mindestens acht bis zehn Eingriffe, um allein die Hauptknochen zu plattieren) sowie physikalische Therapieschemata, die jedem Eingriff folgen.

Wenn Sie auch den Schädel, den Unterkiefer, das Brustbein und die Rippen plattieren möchten, ist dies möglich, aber wiederum sehr langsam und mit langen Erholungszeiten. Sie könnten Verfahren, Erholungszeiten und Therapien im Wert von zwei bis drei Jahren betrachten. Fügen Sie die Kosten pro Verfahren plus unbeabsichtigte Vorfälle hinzu (Infektion ist am wahrscheinlichsten; Ablehnung; Hardwareprobleme (Schrauben lösen sich); Tod und ich glaube einfach nicht, dass Sie die Kosten mit dem minimalen Schutz rechtfertigen können, den diese Art von Prozess leisten kann . Ein starker Schlag mit einer Nahkampfwaffe kann immer noch Knochen brechen oder brechen, selbst wenn sie verstärkt sind. Die Platte selbst kann beschädigt werden. Die Hardware --- Schrauben --- kann sich lösen und weitere Verletzungen verursachen.

Zugegeben, Sie haben vielleicht eine eingebaute Stabilisierung mit solchen Implantaten, aber Ihr Soldat muss sich trotzdem korrigierenden Eingriffen unterziehen, selbst nach einem relativ leichten Kampf.

Begründung

Grundsätzlich möchten Sie dies an mehreren Körperteilen Ihrer Soldaten tun. SCHAU NICHT, WENN DU zimperlich bist!!

Ich persönlich würde da nicht mitmachen. Dieses Teil besteht den Reality-Check -Test nicht .

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Andere Option

Das wird Ihnen wahrscheinlich nicht gefallen, aber da Sie die Stärke Ihrer Soldaten erhöhen möchten, geben Sie ihnen einfach Rüstungen! Leichte Kohlefaser-/Verbundplatten (für Nahkampfwaffen) in Verbindung mit einer Kevlar-Panzerung könnten sich als bessere Option erweisen, als mit einer Operation herumzuspielen.

Sehen Sie, ich dachte, das wäre etwas, was der Körper auf natürliche Weise produziert. Den Körper durch einen chirurgischen Eingriff zu vergrößern, ist vielleicht keine schlechte Idee, besonders nicht mit der vermutlich fortgeschrittenen medizinischen Wissenschaft einer Raumfahrtrasse. Ich dachte mir jedoch, dass ein „natürliches“ Mittel der Verstärkung vorzuziehen wäre.
Der menschliche Körper produziert auf natürliche Weise keine Kohlenstofffasern. Eine Operation ist fast nie eine gute Idee. Fortschritte in Medizin und Technik: der menschliche Körper nicht. Es mag es nicht, aufgeschnitten und missbraucht zu werden. Um das zu tun, was Sie "natürlich" wollen, würde ich eine weit fortgeschrittene genetische Nanotechnologie vorschlagen, gepaart mit einer soliden Grundlage in genetischer Manipulation, gepaart mit einer Kultur der Entmenschlichung, die erforderlich ist, um an diesen Punkt zu gelangen. Schrecklich, schrecklich unethisches Zeug, das Sie wollen, aber das ist der Weg, den Sie gehen wollen!
Ich dachte eigentlich, dass diese Art der Verstärkung nur den erfolgreichsten Kriegern ihrer Kultur vorbehalten wäre. Die allgemeine Idee war eine Art Haus auf halbem Weg zwischen Vulkaniern und Saiyajins. Kalt und kriegerisch, aber auch moralisch aufrichtig und gerecht. Ich dachte, sie würden eine ganze Reihe von Verbesserungen für die Kriegerkaste haben, damit sie ihre Feinde besser bekämpfen und ihr Volk beschützen können.
@Horik --- Ich bin mir nicht sicher, wie das folgt ...
Ich meinte, dass es nicht als unethisch oder entmenschlichend behandelt werden würde. Sie würden es als eine Art ehrenhaftes Opfer oder so etwas ansehen. Aber ich hatte auch gehofft, dass es genetisch gemacht werden könnte, sodass es von der Kindheit an in den Knochen wachsen würde.
Okay, verstanden. Ja, es sind nicht die Soldaten selbst, die sich unethisch verhalten. Sie sind einfach die zukünftigen Nutznießer. Die Wissenschaft und menschliche Experimente, um zu diesem Punkt zu gelangen, werden am Ende wirklich zu einer Übung in der Unmoral. Irgendwann müssen sie an jemandes Baby experimentieren. Und wahrscheinlich Hunderte, bis sie es richtig machen ...
Hm, da hast du Recht. Obwohl ich nicht annehme, dass ihnen die Moral ihrer Vorgänger so wichtig wäre. Verdammt, sie könnten es sogar als edles Opfer oder so etwas betrachten. Alternativ könnte das Wissen von woanders stammen, wie von einer Vorgängerart oder so. Keine Ahnung, da muss ich mal drüber nachdenken.
Oh, ich stimme zu: Jede heute lebende Frau, die Zugang zu moderner gynäkologischer Versorgung hat, ist die Nutznießerin grob unethischer Experimente, die in der jüngsten Vergangenheit an Menschen durchgeführt wurden. Aber Sie blicken in die Zukunft. Obwohl Sie nicht sagen, wie weit, kann ich nur hoffen, dass die medizinische Ethik und die menschliche Moral nicht weiter unten auf der Toilette sind als jetzt! Nun, Sie sprechen gute Punkte über Wissensquellen an. Es geht mir nicht wirklich darum, mit Ihnen über medizinische Ethik zu streiten! Nehmen wir für meinen Teil einfach an, dass wohlwollende Außerirdische das grundlegende Wissen geliefert haben und nichts Unethisches getan werden musste, um es auf den Menschen anzuwenden!

Wenn Sie sich in ferner Zukunft mit Weltraum-Boarding-Aktionen befassen, sprechen Sie bereits von einer Wissenschaft, die so weit fortgeschritten ist, dass die Standardversion von Science-Fiction-Magie, auch bekannt als „Nanotech“, funktionieren würde. Vor allem, wenn Sie es quasi-realistisch gemacht haben; Nanotech-Verbesserung des Knochens durch allmählichen Aufbau von unterstützenden Kohlefasern, aber man braucht Zeit, um dies unter kontrollierten Bedingungen zu tun, bei denen die Nanotechnologie ferngesteuert werden kann und Probleme wie Abwärme (die bei Nanotechnologie tendenziell vergessen werden) kontrolliert werden können.

Ich gebe Ihnen eine Option, dass ich gerade an meiner Geschichte arbeite.

Es gibt diese Krankheit namens Hämochromatose, die zu einem höheren Eisengehalt im menschlichen Körper führt. Es ist zwar nicht vorteilhaft, Sie haben dadurch schwere Schäden an Ihrem Körper erlitten, aber mit etwas Kreativität können wir ein Szenario schaffen, in dem es eine Verbesserung ist.

Ich zum Beispiel ließ meine Gesellschaft viele Generationen durchlaufen, jede veränderte sich ein wenig und durch natürliche Selektion überlebte die beste Anpassung für diese Umgebung. Er überlebte, weil sein Körper Enzyme hatte, die Eisen mit Kohlenstoff verbanden (für uns leicht verfügbar) und in verschiedenen Körperteilen eine Stahllegierung bildeten. Sie würden nicht unter den Nebenwirkungen der Krankheit leiden, weil das gesamte Eisen eingeschlossen ist und Sie jetzt einen Superkörper haben.

Sie könnten das mit genetischen Modifikationen tun, da ich sehe, dass es sich um eine High-Tech-Umgebung handelt, oder mit allem, was Sie bevorzugen. Härtere und dennoch flexible Legierung für die Knochen, Bänder aus Stahldraht und sogar etwas Stahlhaut, die schwachen Stößen standhalten könnte.

Mein Verständnis davon ist, dass es sehr schwierig ist, richtige Kristalle von Metallen wie Eisen und Stahl auf organische Weise abzuscheiden. So wie du es ausdrückst, klingt es aber eher nach einer Art Eisenkarbid oder so. Ich war aber nie so gut in Chemie im College (ich bevorzugte Englisch, Französisch und PoliSci), also könnte ich mich irren.
Ich dachte an Stahl, da er die Eigenschaften hat, die Sie brauchen. Was Sie gesagt haben, ist wahr, es ist wahrscheinlich schwierig, einen organischen Prozess zu verwenden, um eine Stahllegierung herzustellen, und ich habe keine Erklärung dafür. Es hängt von der Realitätsebene ab, die Ihr Setup erfordert. Um noch etwas hinzuzufügen, Knochen bestehen hauptsächlich aus Mineralien (Kalzium), aber ich glaube nicht, dass sie eine Legierung bilden, es ist eher eine Kristallablagerung mit Kollagen, die alles zusammenklebt.
Ja, ich erinnere mich, dass sie aus einem Mineral namens Hydroxyapatit bestehen, genau wie Zahnschmelz. Ich habe versucht, ein plausibles Material zu finden, das, obwohl es nicht unbedingt natürlich ist, leicht vom menschlichen Körper produziert werden kann (wenn auch eines mit den Vorteilen extrem fortschrittlicher Biotechnologie).
@Faed: Knochen bestehen nicht aus Kalzium. (Zum Beispiel reagiert Calcium begeistert mit Wasser, wobei Calciumhydroxid entsteht und Wasserstoff freigesetzt wird.) Der mineralische Bestandteil des Knochens ist hauptsächlich Hydroxyapatit . Eine Verbindung und ihre konstituierenden Atome sind sehr unterschiedliche Substanzen .
Wäre Kohlefaser eine gute Wahl, um menschliche Knochen zu stärken, und wie würde das funktionieren?
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