Welche Biomaterialien mit höherer Druckfestigkeit als Knochen kann ich verwenden, um große, aber verhältnismäßige Humanoide herzustellen?

Eines der vielen Probleme bei der Herstellung wirklich, wirklich großer Kreaturen ist, dass ihre Knochen schließlich nicht mehr in der Lage sind, ihr eigenes Gewicht zu tragen. Irgendwann haben sie nur noch Beine und keinen Körper. Das ist besonders ein Problem, wenn man versucht, etwas Humanoides zu machen, aber größer als normal, weil man die Beine elefantenartig machen muss, damit sie das Gewicht von allem anderen tragen können. Das Quadratwürfelgesetz ist im Allgemeinen ein Schmerz im Hintern, wenn man solche Dinge tut.

Die offensichtliche Lösung dafür besteht nun darin, bessere Knochen / Stützstrukturen herzustellen - solche, die einer höheren Druckkraft pro Einheit Knochenmasse standhalten, was bedeutet, dass Sie weniger davon verwenden können, was bedeutet, dass Sie nicht unverhältnismäßig breit machen müssen Gliedmaßen, um der Masse einer Kreatur entgegenzuwirken.

Ich habe überlegt, die Goethit- Nanofaser / Protein-Mischung zu verwenden, die Napfschneckenzähne verwenden, die eine Zugfestigkeit von 3-6,5 Gigapascal hat , aber ich glaube nicht, dass diese Zugfestigkeit in die Druckfestigkeit übersetzt wird, die erforderlich ist, um einen effektiven Knochen herzustellen Zugfestigkeit ist ein Maß dafür, wie haltbar ein Stoff ist, wenn er gezogen wird , während die Druckfestigkeit ein Maß dafür ist, wie haltbar ein Stoff ist, wenn er gedrückt wird .

Also: Welche biologischen Substanzen sind stärker als Knochen?

Hochwertige Antworten auf diese Frage werden einen Stoff zitieren, der in die folgenden vier Kategorien fällt:

  • Entweder fähig, von der irdischen Biologie verarbeitet zu werden, oder fähig, von der irdischen Biologie aus metabolisierbaren Unterkomponenten seiner selbst aufgebaut zu werden. Bitte keine Edelgase oder nicht reaktiven Substanzen, obwohl ich mich frage, wie sie jemals eine geeignete Antwort darauf sein könnten. Beachten Sie, dass diese Napfschneckenzähne, die ich zuvor erwähnt habe , aus einer solchen metabolisierbaren Substanz bestehen , indem die Napfschnecke Eisen in Ferrihydrit umwandelt , das dann nukleiert und in Goethitkristalle umgewandelt wird (dh die zuvor erwähnten Nanofasern).

  • Stärker als Knochen in Bezug auf die Druckfestigkeit. Knochen hat eine Druckfestigkeit von 170 Megapascal . Ich will mehr. Ich kann mich später um Scherbelastungen kümmern oder ihnen entgegenwirken, indem ich den kompressiven Kern des Knochens (dh das, was das Gewicht trägt) in eine biologisch gewachsene Napfzahnpanzerung mit dazwischenliegendem Knochenmark als Stoßdämpfer einwickelt .

  • Nicht Wasser oder Muskel. Ich will keine hydrostatischen Skelette oder Muskelhydrostaten .

  • Muss auf der Erde möglich sein. Keine gefrorenen Kohlenwasserstoffe. Vor allem kein Neutronium. Nein, nicht einmal ein bisschen. Fehlerhafter Stack-Austausch. Schlecht. Tropfen. Lassen Sie das Neutronium fallen. Guter Junge.

Beachten Sie, dass ich nicht daran interessiert bin festzustellen, welcher evolutionäre Druck zur Annahme eines solchen Materials als Stützstruktur führen könnte; Wir reden hier über verrückte Wissenschaft und die Grenzen dessen, was hier möglich ist, nicht über langweilige alte Evolution. Es interessiert mich auch nicht, wie sich dies auf die Biologie der Kreatur auswirken könnte, an der es befestigt ist - dh Dinge wie Durchblutungsprobleme oder erhöhte Ernährungsbedürfnisse. Mich interessiert nur, ob es Biomaterialien mit besserer Druckfestigkeit als Knochen gibt.

Als "wissenschaftlich fundiert" gekennzeichnet, weil ich möchte, dass dies ein tatsächliches Material ist, und kein Handwavium , aber nicht "harte Wissenschaft", denn was auch immer dies ist, wurde wahrscheinlich nie wirklich in einer unterstützenden Struktur im wirklichen Leben verwendet.

Nicht wirklich eine Sache im Zusammenhang mit Biomaterialien, also ist es ein Kommentar, aber Sie möchten sich vielleicht mit Tensigrity-Strukturen befassen. Sie kommen nicht um die SCL herum, aber Sie können einige ziemlich große selbsttragende Strukturen (vielleicht Körper?) erhalten, indem Sie weniger physischen Raum für die Konstruktion dedizierter Stützen verwenden.
Not toxic, poisonous, cancer-inducing, or otherwise harmful to Earthly biology. No heavy metals. No toxins. - Warum? Wenn sich Ihre großen Menschen damit weiterentwickeln , sind sie offensichtlich immun. Wenn sie hergestellt werden, ist die Technologie fortgeschritten genug, um vor diesen Materialien zu schützen. also ich denke das ist eher kein thema. auch: wie groß willst du werden? und was denkst du über blutdruck - mehrere herzen? Venen aktiv pumpen?
@FranzGleichmann Um Durchblutungsprobleme mache ich mir keine Sorgen. Wenn ich darüber nachdenke, scheint das jedoch willkürlich zu sein. Ich werde es los.
Wie groß willst du sie? Es gibt viele Beispiele, die größer als 250 cm sind, und sie haben sich gut geschlagen, was die Beinknochen betrifft. -- Außerdem: Warum ist der Blutfluss unwichtig? Der Sohlenbereich ist unglaublich komprimiert, ebenso wie alle komprimierenden Gelenke, und die brauchen alle ihre Durchblutung
Auch hier ist die Druckfestigkeit nicht der limitierende Faktor, Knochen würden durch Knicken brechen.
Erwähnenswert ist, dass im Großen und Ganzen innerhalb einer Klasse von Materialien (z. B. steinähnliche Mineralien) ein bestimmtes Verhältnis zwischen Zug- und Druckfestigkeit tendenziell gilt, und die meisten von ihnen haben eine viel höhere Druckfestigkeit als Zugfestigkeit. Wie von @bukwyrm angemerkt, ist jedoch auch die Steifigkeit (die dem Knicken widersteht) ein wichtiger Faktor.
Auch eine Überlegung kann die Struktur des verwendeten Materials sein. Wo Knochen mehr oder weniger eine Röhre mit zufällig gekreuzten Latus ist, um Stärke zu verleihen und ihn gleichzeitig leichter zu machen. Eine Nanofaser könnte in geschichteten Schichten abgeschieden werden, um das Rohr dann möglicherweise in einer Wabenstruktur darunter zu formen.
Was ist mit einem pneumatischen Energiezufuhrsystem, wie es in Sauropoden zu finden ist, das die strukturellen Anforderungen an das Knochenmaterial verringert, indem es die Masse der Kreatur verringert und es dennoch ermöglicht, sich zu vergrößern? Dies ist eine Möglichkeit, einige der Supermaterial-Anforderungen zu umgehen.
Beachten Sie, dass Neutronium wahrscheinlich nicht sehr lange stabil bleiben würde ... und was noch wichtiger ist, Neutronium würde nur zum Quadratwürfelgesetz beitragen, nicht helfen ... es macht keinen Sinn, starke Knochen zu haben, wenn Sie eine Planetengröße benötigen würden Muskel, um es doch zu bewegen
@somebody Wie gesagt, kein Neutronium.
@KEY_ABRADE Mein Punkt ist, dass Neutronium einer brauchbaren Antwort nicht einmal annähernd nahe kommt - dh es ist in der Frage nicht einmal erwähnenswert
@somebody Es war eine Art Witz.
Ich verstehe es nicht. Elefanten könnten diese winzigen magischen Knochen in sich haben, aber ihre Beine wären immer noch genauso groß. Die Beine müssen in der Lage sein, das Ding über ihnen zu bewegen . Handwave 'unterstützt' alles, was Sie wollen; es muss in der Lage sein, die Sache zu tun. An dem Quadratwürfelgesetz führt kein Weg vorbei. Nein. - Du brauchst einen Körper , der nicht zu 80 % aus Wasser und schwerem Fett besteht.
@pygosceles - "pneumatisches Energieabgabesystem, wie es in Sauropoden zu finden ist" - das, sag was, jetzt?
@Mazura Es ist trivialerweise wahr, dass jedes zusammenhängende oder zeitweise zusammenhängende Gefäß, das ein Gas enthält, eine Form der Energieabgabe über die verbundenen Räume und im weiteren Sinne eine Form der Energieverteilung ist und im Verhältnis zu anderen Räumen tragfähig ist, wenn es hermetisch ist. Ob durch absichtlich entworfene Ventile betätigt, um Gasdruck zwischen Gefäßen zu übertragen, um Bewegung zu verursachen, oder latent aufgrund der gewöhnlichen Belastungen und Bewegungen von Muskeln und Bändern, ein mobiles Lebewesen wird pneumatische Eigenschaften aktiv nutzen, um Lasten zu verteilen und die Effizienz seiner Bewegungen zu maximieren .

Antworten (4)

Silica - Netzwerke aus Silizium und Sauerstoff mit der allgemeinen Formel SiO2.

Kieselalgen bauen daraus ihre Schalen. Pflanzen bauen es in ihre Zellwände ein. Schwämme machen daraus ihre Stachelskelette.

Sie müssen es nur skalieren. Anstatt mikroskopisch kleine Hüllen oder eine zusammengesetzte Matrix aus winzigen Nadeln und Kollagen/Zellulose aufzubauen, lagern Sie einfach immer größere Schichten aus reinem Siliziumdioxid ab.

Die einfachste Form, um Silica in großen Mengen abzuscheiden, wäre wahrscheinlich Opal (hydratisiertes amorphes Silica), das toll aussehen würde, aber nicht besonders stark ist – schlimmer als normaler Knochen. Aber wenn Sie den Organismus dazu bringen können, Wasser auszuschließen und nur makroskopische feste Brocken aus reinem Siliziumdioxid zu produzieren, sehen Sie sich eine Druckfestigkeit von etwa 1100 MPa an.

Und wenn Sie da draußen noch ein bisschen weiter gehen wollen... Sapphire

Saphir ist Aluminiumoxid, Al2O3. Es hat eine Druckfestigkeit von 2 Gigapascal . Selbst wenn Sie also einige Verluste beim Einbau in ein biologisches Komposit in Kauf nehmen, sind Sie dem natürlichen Knochen immer noch weit voraus. Es ist derzeit nicht bekannt, dass Aluminium in der Biologie eine bedeutende Rolle spielt, aber es ist in Ionenform (z. B. als Aluminiumcitrat) bioverfügbar und reichert sich in der Biosphäre an, daher sollte es in der normalen Nahrungsversorgung verfügbar sein – und wenn die Biologie damit umgehen kann Ablagerung von oxidierten Eisenkristallen, ich bin sicher, dass etwas für die Ablagerung von oxidiertem Aluminium ausgearbeitet werden kann!

Das klingt ein bisschen so, als ob man Knochen aus Glas oder Beton haben möchte. Wie werden sie mit den Belastungen umgehen, denen echte Knochen ausgesetzt sind? Ein paar Zitate wären gut.
@DWKraus Nicht mein Problem. Die Frage bezieht sich speziell und eng auf die Druckfestigkeit.

Abalone-Chitin-Verbundstoffe (und Dinosauriertechnik):

Ohne die Herstellung der einzelnen Materialien ist es schwer zu versprechen, dass die resultierenden Substanzen Supermaterialien sein werden. Die Forschung an künstlichen Knochentransplantatmaterialien deutet jedoch auf einen wahrscheinlichen Verbundstoff hin. Hydroxyapatit neigt dazu, spröde zu sein, daher werden flexiblere Materialien erforscht. Ein weiterer hervorragender Artikel über Biomaterialkeramik wie Knochen und Perlmutt ist HIER zu finden .

  • NACRE , auch bekannt als Perlmutt, hat eine große Verbundfestigkeit. Aufgrund dieser Eigenschaften wird künstliches Perlmutt als Material entwickelt. Es hat einen extrem hohen Elastizitätsmodul , der eine allgemeine Bewertung der Festigkeit darstellt, und eine Druckfestigkeit von 300–500 MPa . Es besteht aus kleinen Platten, Ziegeln, Sechsecken oder Scheiben aus Aragonit , die dann durch elastische Biopolymere getrennt werden. In einer Studie zu Perlmutt im Vergleich zu Walknochen übertraf Perlmutt Knochen in Studien zur Zähigkeit, wobei Knochen schwächer und spröder waren.
  • Ihr Material benötigt eine viskoelastische Schicht zwischen den Platten (Plättchen) aus Aragonit, die aus einem polysaccharidartigen Material bestehen. Ich würde ein Seiden- oder Chitinmaterial vorschlagen , da es bereits seit langem für diese Funktion verwendet wird und Chitin umgeben und ausfüllen kann, wo die Perlmuttstapel dies nicht tun.

Im Gegensatz zu exotischeren Materialien wie Graphen werden diese mit der aktuellen Biologie biologisch hergestellt und erfordern nicht, dass Ihr Organismus das Rad neu erfindet (biologisch gesehen).

  • Design von Dinos : Ich vermute (aber ich bin kein Bio-Ingenieur), dass das Quadrat-Würfel-Gesetz Ihre Giganten in die Gelenke treffen wird , bevor dieses Material versagen würde. Der Druck auf die Gelenke ist bereits eine Belastung für den Menschen, und ein regeneratives und arthritisresistentes Gelenkdesign wird für den langfristigen Erfolg Ihrer Antwort wichtig sein. Sie können sich auch die Knochenstruktur von Dinosauriern ansehen, um zu verstehen, wie der Knochenbau bei Dinosauriern zu ihrer Fähigkeit beigetragen haben könnte, ein größeres Gewicht zu tragen.

Perlmutt-Mikrostruktur

Eine schnelle Wikipedia-Suche gibt eine Liste von Biomaterialien mit entsprechender Druckfestigkeit zurück.

Kortikaler Knochen hat eine berichtete Druckfestigkeit von 100–230 MPa, während Hydroxyapatite mit 500–1000 MPa aufgeführt sind.

Hydroxylapatit, auch Hydroxylapatit (HA) genannt, ist eine natürlich vorkommende mineralische Form von Calciumapatit [...] Bis zu 50 Vol.-% und 70 Gew.-% des menschlichen Knochens ist eine modifizierte Form von Hydroxyapatit, bekannt als Knochenmineral. Kohlensäurehaltiges, kalziumarmes Hydroxyapatit ist das Hauptmineral, aus dem Zahnschmelz und Dentin bestehen. [...] Hydroxylapatit ist in Knochen und Zähnen vorhanden; Knochen besteht hauptsächlich aus HA-Kristallen, die in eine Kollagenmatrix eingestreut sind – 65 bis 70 % der Knochenmasse ist HA. In ähnlicher Weise macht HA 70 bis 80 % der Masse von Dentin und Zahnschmelz in Zähnen aus. Im Zahnschmelz wird die Matrix für HA durch Amelogenine und Emailleine anstelle von Kollagen gebildet.

Zusammenfassend sieht es so aus, als hätte die Natur bereits gute Arbeit geleistet, um die Gesamtleistung des Knochens zu optimieren.

Und ich wette, wenn Sie den HA-Anteil des Knochens erhöhen, verlieren Sie viele andere notwendige Eigenschaften wie Flexibilität und so weiter
Ja. Knochen sind ziemlich biegsam und müssen sowohl Stöße als auch Stress absorbieren. Wenn Sie einen Knochen brechen, kann er sich selbst reparieren, aber wenn Sie einen Zahn zerbrechen, ist er für immer weg. Knochen aus Zahnschmelz zu haben, wäre eine lähmende Behinderung.

Stein.

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

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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

Eine höhere Druckfestigkeit zeigt an, dass der Stein einer höheren Druckbelastung standhalten kann. Die erforderlichen Werte reichen von 1.800 psi (12,45 MPa) für Marmor bis 19.000 psi (131 MPa) für Granit.

Ihre Tiere würden natürlich keine Steine ​​herstellen, sondern passende Steine ​​finden und in ihren Körper stecken. Andere Tiere verwenden Objekte aus der Umgebung, die aufgrund ihrer Härte ausgewählt wurden - Einsiedlerkrebse kommen mir in den Sinn, die gefundene Muscheln (oder irgendetwas anderes von geeigneter Größe und Form) als Panzer verwenden.

Ihre Kreaturen werden Steine ​​finden und sie als tragende Elemente einbauen. Ich stelle sie mir gestapelt wie die obige Säule vor, ähnlich wie unsere eigene Wirbelsäule gestapelt ist. Steine ​​werden von Sehnen und Bändern gehalten, genau wie unsere Knochen. Sie könnten Endoskelette oder Exoskelette sein.

Die Stein-Stein-Grenzfläche wird auf natürliche Weise in Form gebracht, wenn sich das Tier bewegt, und bildet Schnittstellen von einem zum nächsten. Eine Folge davon ist, dass zuvor verwendete Steine ​​von toten Riesen bereits Verschleiß aufweisen und daher als Skelettelemente besser funktionieren würden als frische Steine ​​mit nur abiogenem Verschleiß.

Ich mag die Vorstellung, dass technologisch hochentwickelte Aliens diesen Giganten Geschenke bringen: keramikbeschichtete Metallskelettelemente. Jetzt können die Giganten richtig groß werden!

Normaler gewöhnlicher Knochen ist im Wesentlichen Biostein.
@ZeissIkon Einverstanden. Aber Biostein ist nicht so stark wie Granit.
Was Sie also im Grunde brauchen, damit diese Antwort funktioniert, ist ... eine amorphe und hyperadaptive Fleisch- / Organmasse, die eher klein und unspezialisiert in der Form ist, aber feste Objekte zur Verwendung als strukturelle Unterstützung aufnehmen und im Grunde ihr eigenes Skelett konstruieren kann ?
Die höchste Druckfestigkeit, die ich für Granit gefunden habe, beträgt 200 MPa; Die meisten Referenzen legen es um 130-150 MPa fest. Das ist etwas schwächer als Knochen: Der menschliche Femur zum Beispiel hat eine Druckfestigkeit von etwa 205 MPa in Längsrichtung.
@Mark, du weißt, dass es mich schmerzt, wenn Leute genau kommentieren, dass ich nicht recht hatte, und ich fühle diesen Schmerz jetzt. Dank dir können diese Giganten also nicht irgendeinen Stein verwenden. Es müssen Quarzkristalle mit einer Druckfestigkeit von 2,2 - 2,7 Gpa sein. . Quarz ist nicht super selten. Kristallskelette sind ohnehin fantastischer. Jade könnte besser sein, wenn sie es bekommen können.
@Willk Das Problem mit Quarzkristallen ist natürlich, ich glaube, das ist die Stärke einzelner Quarzkristalle . was natürlich in der Natur ziemlich selten wäre
Nicht, dass aus mehreren Kristallen zusammengesetzter Quarz notwendigerweise schwach wäre - anscheinend kann geschmolzener Quarz eine Druckfestigkeit von > 1 Gpa haben -, aber ich bin mir ziemlich sicher, dass geschmolzener Quarz kein in der Natur vorkommender Ursprung ist
Natürlich gibt es ein paar erwähnenswerte Punkte - Steine ​​sind solide und als solche würde das nur das Quadratwürfelgesetz verschlechtern . Ein weiteres Problem ist, dass sie die Steine ​​regelmäßig durch größere ersetzen müssen, wenn sie wachsen, und die Logistik dafür ist einfach ... seltsam. Ganz zu schweigen davon, dass dies eine Nichtantwort ist, da OP nach (möglicherweise) biologischen Substanzen fragt.
Einsiedlerkrebse, ihr alle! Einsiedlerkrebse nutzen Steine ​​als strukturelle Stütze! Ich wusste, ich hätte dort oben ein Bild von einem Einsiedlerkrebs aufhängen sollen.
Welche Biomaterialien mit höherer Druckfestigkeit als Knochen kann ich verwenden, um große, aber verhältnismäßige Humanoide herzustellen?
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