材料科学
オーセティック材料は幅広い用途があります。高度なアルゴリズムにより、作成がより簡単になっています
オーセティック材料は、軸方向の圧縮と張力を受けるとそれぞれ横方向に縮小・膨張します。これらは一般的な弾性材料とは直感に反する応答を示し、負のポアソン比を示します。この比率は、加えられた力に対して垂直な方向の変形を測定します。通常の弾性材料とは異なり、オーセティック材料は圧縮されると、加えられた力に対して垂直な方向で薄くなります。
これらの材料は、優れた破壊靭性、高いへこみ/衝撃耐性、せん断弾性率、優れたエネルギー吸収、シンクラスティック変形、高い横ひずみなどの有用な特性により、過去数十年で人気が高まっています。また、優れたへこみ耐性と卓越した表面等方性も備えています。
これらすべての特性によりオーセティック材料は価値が高まり、幅広い用途が保証されています。以下のセクションでは、医療・ヘルスケア、車両工学、保護工学、アパレルなどの分野における具体的な使用例を見ていきます。
医療・ヘルスケア分野におけるオーセティック材料
高密度オーセティックポリエチレンは、脊椎手術用の人工椎間板の開発に使用されています。 これらのディスクは曲げやねじれが可能で、従来のディスク置換ソリューションと比較して生体力学的性能が向上する可能性があります。オーセティック特性により、周囲の神経終末を損傷させる可能性のある膨らみが防止され、ディスクは自然な腰椎椎間板の挙動を完全に模倣します。
オーセティックペディクルスクリューも、主に脊椎において、周囲の骨とスクリューとの生体力学的相互作用を改善するために提案されました。
研究により、科学者は316L医療用ステンレス鋼を基にしたオーセティック幾何学的冠動脈ステントの開発にも成功しました。このステントは放射方向と長手方向の両方に拡張でき、特定の直径と血管長さに最適化して一定のルーメン体積を作り出し、血管壁への負の影響を最小限に抑えます。
オーセティック材料は、股関節インプラントステム、長骨固定、心臓パッチ、鼻咽頭スワブ、整形外科用インソールなど、他の医療応用でも有用であることが証明されています。また、組織工学や体外診断用デバイスの構造や膜の製造にも価値があります。
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車両工学におけるオーセティック材料
最近の研究では、オーセティック材料と構造が、従来の薄壁チューブバンパーやエネルギー吸収ボックスのエネルギー吸収特性を向上させる優れた設計手法を提供する可能性が示されています。
これらの構造は、より高い剛性を持ち、中速衝突時のエネルギー吸収が優れ、衝突時のエネルギー吸収と乗員の加減速プロセスに対するバッファ時間が長くなります。また、エネルギー吸収容量、エネルギー吸収効率、その他の性能指標においても高得点を得ています。
この分野の研究者の一人は、オーセティックサンドイッチビーム構造とエネルギー吸収ブロックの組み合わせを多目的アルゴリズムで最適化したバンパーを提案し、車両の正面衝突安全性を向上させました。
保護工学におけるオーセティック材料
保護工学でオーセティック構造が使用されるのは、高いエネルギー吸収、改善された圧縮耐性、そして向上したせん断強度特性によります。
研究により、強化コンクリート構造を激しい衝撃や近接爆風から保護できるオーセティックハニカムサンドイッチパネル構造が見つかりました。
また、オーセティック効果を持つ円筒形サンドイッチパネルは、より強い爆風耐性を示し、航空機外殻、宇宙船、潜水艦船体、燃料タンク、炭鉱シェルターなどの曲面構造を効率的に設計するために使用できます。
アパレル工学におけるオーセティック材料
荷重下でのオーセティック材料の横方向膨張特性は、曲げ時に二重曲率を形成するのに役立ちます。この特性により、これらの材料で作られた衣料は動作中に人体の変化する輪郭に適応できます。研究では、オーセティック繊維のマタニティウェアは従来品に比べて応力集中が低く、着心地も快適であることが示されています。
この広範な応用可能性により、オーセティック材料の需要が急増しています。この増大する需要に応えるため、研究者はオンデマンドでオーセティック材料を設計するための3段階のレシピを開発しました。
オンデマンドでオーセティック材料を作成するための3段階手順
米国標準技術研究所（NIST）の研究者たち とシカゴ大学は、オーセティック製品の市場導入を加速させるために協力しています。
より具体的には、これらの研究者はオーセティックの精密な三次元設計を支援するアルゴリズムツールを開発しました。研究の共同著者であるNISTの材料研究エンジニア、エドウィン・チャンによれば:
実際に、希望する特定の機械的特性と挙動を持つように材料を最適化できます。
研究者たちは世界に 二次元完全オーセティックを記述するための統一フレームワークを提示しました。この発表は、完全オーセティックの限界を理解し制御することが、実用的なオーセティックを幾何学的に設計できるという大きな認識から生まれました。
研究の重要性を詳述する中で、研究者は次のように述べました:
我々の理論は、既存の多数のオーセティックを統合するだけでなく、以前のオーセティック剛体ユニット系を含み、さらに新しく多様な幾何学形状を持つオーセティックを創出でき、いわゆる希少な等方性オーセティック材料も実現可能です。
研究者は、完全オーセティックの挙動を理解することに関心があったため、回転ユニットの最小二次元モデルを使用しました。ユニットは、自然長ゼロのバネで接続された多角形の系列で構成されます。各剛体ユニットは3つの自由度を持ちます: 2つの平行移動と1つの回転。このモデルはオーセティックフロッピーモードの出現を確認し、材料に弾性を導入するのに役立ちました。 非理想的なシナリオも研究できました。
科学的調査の結果は、完全オーセティックを構築するためのレシピという形で示されました。これには3つの要素が必要です:
- 二部ネットワークは、ユニット同士が逆回転できるようにします。
- 初期状態および静止時に、隣接する多角形の位置ベクトルとそれらの間の頂点は共線でなければなりません。
- 多角形からその頂点までの距離と、隣接する多角形から同じ頂点までの距離の比率は、ネットワーク内で一定でなければなりません。
研究者は、彼らの理論が格子に限定されず、無秩序ネットワークにも直接適用できる点に独自性があると強調しています。これにより、初の等方性完全オーセティック材料の構築が可能になります。また、理論は3次元多面体材料へ拡張できる可能性も示唆されています。
この研究は画期的ですが、オーセティック材料に関する研究はかなりの期間続けられています。以下のセクションでは、これらの分野で画期的な取り組みを行っている企業を紹介します。
#1. Nike
このオーセティック構造分野で高度な取り組みを行っている主要ブランドの一つがNikeです。 Nikeの特許番号 US9402439B2 は、オーセティック構造を用いたソールの構築を可能にするオーセティック構造に関するものです。
通常、履物は少なくとも2つの主要部品で構成されます:
- 足を包むアッパーは、着用者の足を受け入れるための囲いを提供します。
- アッパーに固定されたソールは、地面またはプレイングサーフェスとの主要な接触面として機能します。
ソールは、インソール、ミッドソール、アウトソールの3つのサブセグメントを含むことがあります。Nikeの特許取得済みの履物では、ソールの少なくとも1層がオーセティック構造で作られており、これをオーセティック層と呼びます。
これらのシューズで走る、方向転換する、跳ぶ、または加速することで、オーセティック層は縦方向または横方向の張力が増加し、長さと幅が伸びます。その結果、トラクションが向上し、プレイングサーフェスからの衝撃の一部を吸収します。
Nikeは、これらのシューズがテニスやその他のラケットスポーツ、ウォーキング、ジョギング、ランニング、ハイキング、ハンドボール、トレーニング、トレッドミルでのランニングやウォーキング、バスケットボール、バレーボール、ラクロス、フィールドホッケー、サッカーなどのチームスポーツなど、幅広いスポーツやレクリエーション活動に有益であると考えています。
(NKE )
2023会計年度全体について、Nikeは売上高5,120億米ドルを報告しました, 前年と比較して10％増、通貨換算ベースで16％増です。
#2. Airbus
Airbus Defence and Spaceは、変形可能なオーセティック構造と製造プロセスに関する特許を取得しました。この発明は、パネル表面を形成する2方向の二次元オーセティック挙動を活用した単一の統合サンドイッチパネルにより、航空機機体やシステムに対する高エネルギー衝撃からの軽量保護を提供することを目的としています。
Airbusは、このような保護が、オープンローターや境界層吸込構造など、エンジン駆動の後部統合型航空機構成において非常に有益であると示唆しています。これらの構成では、プロペラブレードの脱落（PBR）やエンジン破片（エンジン回転失敗による未収容の小片や第3ディスク）による機体への高エネルギー衝撃に対する安全上の懸念から、保護措置（シールド）が必要です。
この構造は、複数の相互接続された三次元オーセティックセルからなるオーセティック配置を特徴としています。この設計により、表面要素が平面、曲面、または異なる平面の組み合わせであっても、各平面でオーセティック挙動が実現され、さらに主要衝撃方向に垂直な複数の次元でオーセティック挙動を示すことが保証されます。
2023年、Airbusは650億ユーロ超の収益を記録し、2022年の588億ユーロから大幅に増加しました。
オーセティック材料の創造：未来像
本稿の議論を開始した研究は、多くのブレークスルーを達成しました。回転ユニットオーセティックの作成、設計、特性評価のためのシンプルなモデルを提供し、材料特性のテストにおいて曲げ力を無視したシミュレーションが容易に行えるようにしました。ただし、必要に応じて曲げを考慮することも可能です。この研究は、これまでに見られなかった等方性完全オーセティックを作成するための基本ルールを確立し、必要なのは動的・振動解析に関するさらなる研究だけです。
研究と探求は科学技術において終わりのないプロセスであり、特に荷重支持用途におけるオーセティック材料の強化可能性については、さらなる調査が必要です。オーセティック性から得られる利点を発揮するには過度の変形が必要であり、これらの変形は静的荷重時に規定された使用限界を超える可能性があります。この点で、研究者は強度と剛性の要件を満たすカスタム設計の必要性を指摘しています。
生体医療分野では、3Dオーセティックが必要とされますが、これは付加製造プロセスでのみ実現可能です。これらのプロセスは医療機器の長期性能を確保するために強化されるべきです。アルゴリズムベースの高度なオーセティック作成プロセスは、層状プロセスに起因する本質的な異方性が機械的性能に影響を与える可能性があるため、これらの場合に有用です。
これらの課題は残りますが、研究者は将来のトレンドが規模拡大に成功すれば、オーセティックの採用がさらに活発になると期待しています。そのようなトレンドには、4Dプリンティングとオーセティック幾何学のシナジー創出、形状記憶材料や機構の製造などが含まれます。
オーセティックは、細胞がコロニー形成したオーセティック足場を持つバイオハイブリッド材料でも利用が拡大する可能性があります。研究者によれば、これらの材料は現在利用可能な「スマート」やアクティブ、または多機能材料・構造を上回る性能を発揮できるとされています。
バイオハイブリッドの使用例として最も顕著なのは、オーセティックシャーシと細胞駆動メカニズムを備えたマイクロボットです。これらのソリューション、特に電気刺激で活性化される心筋細胞や筋骨格細胞は、将来的に外科用アクチュエータとして利用できる可能性があります。
総じて、オーセティックは多くの機会を提供します。長期にわたって持続可能な実用的解決策を提供するためには、さらなる研究とリソースによるスケールアップが必要です。
