要約:
カリフォルニア大学バークレー校、ハーバード大学、トルコのイスタンブール工科大学の研究者らは、深海ガラス海綿体「Euplectella aspergillum」の骨格構造を利用して、耐荷重能力と流体性能を考慮したメタマテリアル設計手法を開発した。 Nature Communications に掲載されたこの研究は、スポンジ自体を複製することに焦点を当てているのではなく、その軽量で強力なグリッド形状を計算によって最適化された工学構造に変換することに焦点を当てています。
ヴィーナスバスケットのフレームはガラス状のシリカでできています。縦方向と周方向のフレーム、斜めに交差するブレース、外部の螺旋パターンが複雑な格子を形成し、深海の圧力と海流に耐え、本体の中または周囲に水を導きます。研究チームは、この構造から学び、工学設計に共通する矛盾を解決したいと考えている。つまり、材料はできるだけ軽く、使用する材料をできるだけ少なくすると同時に、風や水の流れによって引き起こされる抵抗や振動を軽減するのに十分な強度を持たせる必要がある。
この目的を達成するために、チームは有限要素解析を使用して構造強度を評価し、数値流体力学を使用して流れをシミュレーションし、次に多目的ベイジアン最適化アルゴリズムを使用して数百の幾何学的ソリューションを自動的にスクリーニングして調整しました。最適化の目標には、構造の臨界座屈荷重の増加、流体抵抗、揚力、および揚力変動の低減が含まれます。後者は、渦の放出とそれが引き起こす振動に関連しています。次に研究者らは、ステレオリソグラフィーを使用して選択した構造を製造し、圧縮実験と粒子画像流速測定を通じてシミュレーション結果を検証しました。
実験の結果、さまざまな材料体積分率の下で、最適化されたグリッドの臨界座屈荷重はベースライン設計と比較して平均約 140% 増加し、同時に抗力、揚力、渦放出が減少することが示されました。例えば、バークレー教授は、わずか約5％の開口率と螺旋状の隆起部を備えたほぼ中実の円筒形の構造でも、構造の安定性を犠牲にすることなく、流体に起因する振動を大幅に抑制できると述べた。研究者らは、これらの改善は形状の最適化によるものであり、材料の体積は増加しないと述べた。関連する値は実験構造とベンチマークスキームの比較結果であり、すべての材料やアプリケーションが同様に改善できることを意味するものではありません。
研究チームは、この方法が、航空機の部品、海底パイプラインの支持構造物、体内の流体通路の維持に役立つ医療用ステントなど、軽量で耐荷重性が必要で、流体環境に長期間さらされる必要がある構造物に使用できる可能性があると考えています。高層ビルなど、風の影響を受けるエンジニアリング施設にも適している可能性があります。研究はまだ設計フレームワークとプロトタイプの検証段階にあり、実用化するには、さまざまな材料、スケール、荷重、製造方法でさらなるテストが必要です。
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