深海スポンジがエンジニアリング向け超強力格子構造にインスピレーションを与える

RMITの革新的構造・材料センターのエンジニアチームは、生体模倣を活用して、従来のハニカムベースのオプションと比較して性能が向上した超強力格子構造を開発しました。

深海スポンジであるヴィーナスの花かごにインスパイアされたこの設計は、何百万年もの進化を活かしてオクシエティック性、剛性、エネルギー吸収を最適化しています。この超強力格子構造が、次世代の建築、医療手術、その他多くの分野を切り開く鍵となる可能性についてご紹介します。

オクシエティック材料の理解

開発の重要性を把握するには、オクシエティック材料が自然界と人工的応用の両方で果たす重要な役割を理解することが不可欠です。これらの材料は、圧縮されると潰れ、伸ばすと伸びる従来の材料とは異なります。

代わりに、オクシエティック材料は圧縮時に横方向に収縮します。この特性により、衝撃エネルギーを効果的に吸収・分散させる必要がある用途に最適です。特に、筋腱のような自然界のオクシエティック材料や、血管圧に対応する必要がある心臓ステントのような人工的例があります。

オクシエティック設計の進化

長年にわたり、最も効果的なオクシエティック材料の開発に多くの研究開発が投入されてきました。現在の設計には、キラル構造、星形ハニカム、回転する剛体構造、マルチマテリアルオクシエティック、そしてリエントラントハニカムが含まれます。これらの中で、リエントラント六角形ハニカムが最も顕著です。

リエントラント六角形ハニカム：伝統的アプローチ

リエントラント六角形ハニカム設計は、ミツバチの巣箱に見られるハニカムからバイオインスパイアされました。1982年に開発され、圧縮時に内側へシフトする対角リブを備えており、設計を剛性化します。

それ以来、性能向上のために追加のストラットが加えられ、設計が強化されました。しかし、柔軟性、製造コスト、全体的な性能の面でハニカムレイアウトには依然として多くの欠点があります。

格子構造の進化：BLS研究

この新興分野の限界を認識し、RMIT大学の研究者チームは、従来のものを全体的に上回る独自のオクシエティック設計を開発しました。Composite Structuresに掲載された報告書「深海スポンジにインスパイアされた格子構造のオクシエティック挙動とエネルギー吸収特性」¹は、新しい設計が深海スポンジの骨格構造からインスパイアされ、リエントラント六角形ハニカムを13倍上回ることができることを強調しています。

ヴィーナスの花かご：自然の設計図

深海スポンジであるEuplectella Aspergillum（総称してヴィーナスの花かご）は、自然界で最も耐久性が高く独特な骨格構造の一つを持っています。このスポンジは、スピキュールと呼ばれるガラス状の要素で構成された格子状の骨格を特徴とし、正方形のグリッドを形成します。

出典 – RMIT Centre for Innovative Structures and Materials

このグリッドは、二重格子ストラットで補強され、交互に塗りつぶされた正方形がチェスボードのような外観を与えます。これらの開閉セルは、比類なき剛性と高性能エネルギー吸収を含む、動物に独自の機械的特性を提供します。

バイオインスパイア格子構造の3Dモデル構築

エンジニアは、発見を示し理論を検証するために3Dモデルを構築しました。彼らの3D体心立方格子構造は熱可塑性ポリウレタンで印刷されました。3×3のグリッドに配置された9つの正方形セルを含んでいます。チームは、単独では各格子が変形挙動を示すことに注目しましたが、組み合わせると材料はオクシエティックな動作を示すことを確認しました。

計算シミュレーション：BLS設計の洗練

次のステップは、テストデータを利用してコンピュータシミュレーションを作成することでした。この手法により、エンジニアはテスト速度を向上させ、より多くのテストでエキゾチックな形状や設計を試すことが可能になります。彼らはジオメトリ変動の影響を評価するためにシミュレーションを活用しました。

各材料のオクシエティック挙動、剛性、エネルギー吸収能力を含むデータが記録されました。さらに、チームは非対角バーと二重対角バーの配置と厚さといった構造パラメータの影響を検討しました。その後、二重対角バー間の間隔と配置を微調整し、最適な性能を実現しました。

BLSのテスト：実験的検証

研究者は新しい格子設計を様々な方法でテストしました。具体的には、Shimadzu AGS-50kNXDユニバーサルテスターを使用して、3D印刷されたBLS-0およびCASユニットに対し準静的単軸圧縮試験を実施しました。エンジニアは、オクシエティック挙動、剛性、エネルギー吸収特性を含む材料のすべての主要側面を体系的に記録しました。

印象的なテスト結果

テストは非常に印象的な結果をもたらしました。エンジニアによれば、BLSは全体的にリエントラント六角形オプションを上回りました。圧縮面では、元の設計を13％上回りました。さらに、60％広いひずみ範囲で10％多くのエネルギーを吸収しました。

BLSは従来のチューブ設計のほぼ2倍の剛性を示しました。また、それは3倍強く、リエントラントハニカム前身と比較して4倍の耐久性を示しました。この向上した機械的性能は、代替品よりはるかに少ない材料を使用した軽量設計から得られます。

バイオインスパイア格子構造の主な利点

BLSの発見が注目に値する多くの利点があります。まず、エンジニアに新たな圧縮強度と剛性のレベルを提供し、より耐久性のある製品の作成を可能にします。住宅から自動車まで、この軽量設計は日常的に使用する多くの一般的なアイテムの耐久性を向上させる可能性があり、さらに高度にエンジニアリングされたプロジェクトにも貢献します。

BLS製造における3Dプリンティングの役割

この設計のもう一つの大きな利点は、3Dプリントが可能であることです。このアプローチにより、エンジニアはほぼすべての応用要件に合わせてレイアウトをカスタマイズできます。また、他の材料を制御された統合しやすい方法で実験する機会を提供し、さらなるイノベーションを促進します。

BLSの潜在的な実世界応用

このバイオインスパイア材料は、航空宇宙、自動車、土木工学などの産業で、より強く、より耐久性のある構造の開発につながる可能性があります。これらのセクターは、軽量で扱いやすく、より高い強度と剛性を示す材料を常に探求しています。

現在、この革新的な研究チームは、エネルギー吸収の向上や構造剛性といった優れた機械的特性を提供する新しいクラスのオクシエティック材料をインスパイアしようとしています。

エンジニアリング応用：次に来るものは？

多くのアナリストは、さらなる研究開発が進めば、今後5〜10年以内に応用が現れると予測しています。以下は、この技術の潜在的な応用例の一部です。

建設

エンジニアによれば、建築セクターが主な焦点になるでしょう。建築・建設材料は高価で、過去数年で価格が急激に上昇しています。この開発は、さまざまな方法でこのセクターを革命的に変える可能性があります。

まず、建設業者はより少ない材料でより強固な構造を作ることが可能になります。この格子が住宅の鉄骨フレームや建物の梁に置き換わることを想像してください。開閉式のチェッカーボードレイアウトと材料は、軽量構造で圧縮時にオクシエティックな挙動を提供します。

さらに、建築家やエンジニアは、より耐震性の高い建物を設計できるようになります。地震時の振動を低減したり、風が当たったときに特定の方法で剛性を高めるよう設計された超高層ビルを想像してください。このように、BLSは市場全体の構造工学能力を向上させることができます。

防護装備

BLSが関心を集めている別の分野は防護装備産業です。この材料は、身に着ける防護装備をより軽く、より耐久性のあるものにします。格子設計により、軽量装備が最も過酷な条件や衝撃にも耐えられるようになり、今日の最も危険なスポーツにおいて新たな安全レベルへの道が開かれます。

軍事

この材料にはいくつかの軍事応用があります。次世代の軽量で超薄型の防弾ベストを想像してください。エンジニアは、組み立てや輸送が容易な仮設橋などのアイテムを作成でき、両方の効率が向上します。さらに、剛性を強化しつつ厳しい重量制限を満たす必要がある次世代車両やその他の装備の製造にも役立ちます。

遠距離へ飛行し、より多くの損傷に耐えるドローンや、高口径弾の直接衝撃に砕けずに耐えるヘルメットを考えてみてください。これらすべては、BLS技術を活用することで実現可能です。

医療応用

医療分野では、この技術を用いてさまざまな手術を改善できる可能性があります。例えば、動脈を開いたままに保つために設計されたインプラントは、極端な圧力下で調整でき、何年も劣化せずに持続する必要があります。新しい格子設計は、必要に応じて耐久性と剛性を向上させ、動脈の閉塞を防ぎ、命を救います。

自動車

この技術は、次世代の車両をより安全で効率的にするさまざまな方法があります。まず、更新されたチューブ設計は、多くのメーカーが現在使用しているスチールフレームに取って代わることができます。この新設計は製造コストを削減し、強度と耐久性を向上させます。

さらに、この技術は乗り心地を大幅に向上させることができます。これらの材料で作られたショック吸収や振動抑制構造をイメージしてください。これらの設計は、次世代の電気自動車の総重量を増やすことなく、快適性を提供します。

バイオインスパイア格子構造（BLS）研究者

RMITの革新的構造・材料センターが主導したこの研究には、Jiaming Ma、Hongru Zhang、Ting-Uei Lee、Hongjia Lu、Yi Min Xie、Ngoc San Ha が研究者として参加しました。現在、チームは鋼など他の材料の使用を検討し、成果をテストする計画です。

チームはまた、独自の特性に基づく材料の組み合わせを活用して性能をさらに向上させることに関心を示しています。これらの実験では、ビームや正方形を相互作用できるさまざまな材料で作成することが含まれます。

材料科学セクターへの投資

材料科学セクターには、技術を新たな高みへと押し上げ続ける主要メーカーが多数あります。この最新の開発は、市場におけるイノベーションの速度を示しています。ここでは、材料科学のブレークスルーを統合してROIと製品ラインを強化できる有望な革新的企業を紹介します。

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL ) は1948年に設立され、コネチカット州に拠点を置いています。この米国メーカーはハニカム設計の材料を専門としています。創業以来、Hexcelは大きな成功を収めてきました。

興味深いことに、同社の最初の主要な政府契約の一つは、第二次世界大戦中の軍用機のレーダードームに使用する新世代ハニカム材料の開発でした。戦争終了後、同社はCalifornia Reinforced PlasticsとCiba Compositesを買収しました。

1995年に、Hercules Composites Products部門を買収しました。現在、航空宇宙および産業用途向けの先進複合材料分野でのリーディングイノベーターとして認識されています。同社は1968年にアポロ11号の再突入機の設計・製造に協力したことで有名です。

Hexcelは研究に関する多数の特許を保有しており、構造的完全性を高め、重量を削減し、製造を容易にする次世代材料の開発に資金を投入し続けています。

現在、Hexcelは5,894人の従業員を抱え、2024年の売上高は19億ドルと報告されています。その株は、同社が政府契約や次世代技術への支援を継続していることから、多くのアナリストにより強い「買い」と評価されています。これらの要因と同社の歴史・ポジショニングにより、HXLはどのポートフォリオにも賢い追加となります。

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バイオインスパイア格子構造の未来

市場にもたらすバイオインスパイア格子構造の利点を検討すれば、将来的に電子機器を軽量化し、防護装備を安全にし、将来の車両をより頑丈にする重要な役割を果たすことが容易に想像できます。

さらに、3Dプリンティングの進歩により、エンジニアが超高性能オクシエティック構造や材料をモデリング・作成することがさらに容易になります。現時点では、このチームはオクシエティック材料の働きと、進化が設計改善にどのように寄与したかを明らかにした功績が評価されるべきです。

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参照文献：

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). 格子構造のオクシエティック挙動とエネルギー吸収特性. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}