심해 스펀지가 엔지니어링을 위한 초강력 격자 구조에 영감을 주다

RMIT 혁신 구조 및 재료 센터의 엔지니어 팀은 생체 모방을 활용하여 기존의 벌집 기반 옵션보다 향상된 성능을 제공하는 초강력 격자 구조를 개발했습니다.

심해 스펀지인 비너스의 꽃 바구니에서 영감을 받은 이 설계는 수백만 년에 걸친 진화를 활용하여 보조축성, 강성 및 에너지 흡수를 최적화합니다. 이 초강력 격자 구조가 차세대 건축, 의료 절차 및 그 외 다양한 분야를 여는 핵심이 될 수 있는 방법을 살펴보겠습니다.

보조축 재료 이해

이 개발의 중요성을 파악하려면 보조축 재료가 자연 및 인공 응용 분야에서 수행하는 핵심 역할을 이해하는 것이 필수적입니다. 이러한 재료는 압축될 때 눌러지거나 늘어날 때 늘어나는 전통적인 물체와 다릅니다.

대신, 보조축 재료는 압축 시 측면 수축을 나타냅니다. 이러한 특성은 충격 에너지를 효과적으로 흡수하고 분산시켜야 하는 응용 분야에 이상적입니다. 특히 근육 힘줄과 같은 자연적인 보조축 재료와 혈관 압력 요구에 맞춰 조절해야 하는 심장 스텐트와 같은 인공 예시가 있습니다.

보조축 설계의 진화

수년간 가장 효과적인 보조축 재료를 개발하기 위해 많은 연구개발(R&D)이 진행되었습니다. 현재 설계에는 키랄 구조, 별 모양 벌집, 회전하는 강체 구조, 다중 재료 보조축, 그리고 재진입형 벌집이 포함됩니다. 이 중 재진입형 육각 벌집이 가장 두드러집니다.

재진입형 육각 벌집: 전통적 접근법

재진입형 육각 벌집 설계는 벌집에서 발견되는 벌집 구조에서 영감을 받았습니다. 1982년에 개발되었으며, 압축 시 내부로 이동하는 대각선 리브를 특징으로 하여 설계를 강화합니다.

그 이후로 성능 향상을 위해 추가 스트럿이 추가되어 설계가 개선되었습니다. 그러나 유연성, 생산 비용 및 전반적인 성능 측면에서 벌집 구조에는 여전히 많은 단점이 존재합니다.

격자 구조 발전: BLS 연구

이 새로운 분야의 한계를 인식한 RMIT 대학 연구팀은 기존 제품을 전반적으로 능가할 수 있는 독자적인 보조축 설계를 개발했습니다. Composite Structures에 게재된 보고서 “심해 스펀지에서 영감을 받은 격자 구조의 보조축 거동 및 에너지 흡수 특성“¹은 새로운 설계가 깊은 스펀지의 골격 구조에서 영감을 받았으며 재진입형 육각 벌집보다 13배 뛰어나다는 점을 강조합니다.

비너스의 꽃 바구니: 자연의 설계도

심해 스펀지 Euplectella Aspergillum, 통칭 비너스의 꽃 바구니는 자연계에서 가장 내구성 있고 독특한 골격 구조 중 하나를 가지고 있습니다. 이 스펀지는 스피큘라라 불리는 유리 같은 요소들로 구성된 격자형 골격 구조를 특징으로 하며, 정사각형 격자를 형성합니다.

출처 – RMIT Centre for Innovative Structures and Materials

이 격자는 이중 격자 스트럿으로 강화되어 체스보드 모양을 띠며 교차하는 사각형이 채워집니다. 이러한 개방형 및 폐쇄형 셀은 동물에게 뛰어난 강성과 고성능 에너지 흡수를 포함한 독특한 기계적 특성을 제공합니다.

생체 모방 격자 구조의 3D 모델 구축

엔지니어들은 발견을 시연하고 이론을 검증하기 위해 3D 모델을 구축했습니다. 그들의 3D 체심 입방 격자 구조는 열가소성 폴리우레탄으로 출력되었습니다. 3×3 격자로 배열된 9개의 정사각형 셀을 포함했습니다. 팀은 각각의 격자가 단독으로 변형 거동을 보였지만, 결합될 경우 재료가 보조축 행동을 나타낸다는 점을 주목했습니다.

컴퓨터 시뮬레이션: BLS 설계 정교화

다음 단계는 테스트 데이터를 활용해 컴퓨터 시뮬레이션을 만드는 것이었습니다. 이 방법을 통해 엔지니어는 테스트 속도를 향상시키고 더 많은 실험에서 이색적인 형태와 설계를 시도할 수 있습니다. 그들은 시뮬레이션을 사용해 기하학적 변형의 영향을 평가했습니다.

각 재료의 보조축 거동, 강성 및 에너지 흡수 능력에 대한 데이터가 기록되었습니다. 또한 팀은 비대각선 및 이중 대각선 바의 배열과 두께와 같은 구조적 매개변수의 영향을 검토했습니다. 이후 이중 대각선 바 사이의 간격을 미세 조정하여 최적 성능을 달성했습니다.

BLS 테스트: 실험적 검증

연구원들은 새로운 격자 설계를 다양한 방식으로 테스트했습니다. 구체적으로 Shimadzu AGS-50kNXD 범용 테스터를 사용해 3D 프린트된 BLS-0 및 CAS 유닛에 대한 준정적 일축 압축 시험을 수행했습니다. 엔지니어들은 보조축 거동, 강성 및 에너지 흡수 특성을 포함한 재료의 핵심 측면을 체계적으로 기록했습니다.

인상적인 테스트 결과

테스트는 인상적인 결과를 보여주었습니다. 엔지니어들에 따르면 BLS는 재진입형 육각 옵션을 전반적으로 능가했습니다. 압축 측면에서 기존 설계보다 13% 우수했으며, 또한 60% 더 넓은 변형 범위에서 10% 더 많은 에너지를 흡수했습니다.

BLS는 전통적인 튜브 설계보다 거의 두 배에 가까운 강성을 보였습니다. 또한 재진입형 벌집 선행 모델에 비해 3배 강하고 4배 더 견고함을 나타냈습니다. 이러한 향상된 기계적 성능은 대체재보다 훨씬 적은 재료를 사용하는 경량 설계에서 비롯됩니다.

생체 모방 격자 구조의 주요 이점

BLS 발견이 주목받을 만한 이유는 여러 가지 이점이 있기 때문입니다. 첫째, 이는 엔지니어에게 새로운 수준의 압축 강도와 강성을 제공하여 보다 내구성 있는 제품을 만들 수 있게 합니다. 주택에서 자동차에 이르기까지, 이 경량 설계는 일상에서 사용하는 많은 일반 제품의 견고함을 향상시킬 수 있으며, 오늘날 가장 고도로 설계된 프로젝트에도 적용될 수 있습니다.

BLS 제조에서 3D 프린팅의 역할

이 설계의 또 다른 큰 장점은 3D 프린팅이 가능하다는 점입니다. 이 방법을 통해 엔지니어는 거의 모든 적용 요구에 맞게 레이아웃을 맞춤화할 수 있습니다. 또한, 제어된 환경에서 다른 재료를 쉽게 실험할 수 있는 기회를 제공하여 혁신을 촉진합니다.

BLS의 잠재적 실제 적용 사례

이 생체 모방 재료는 항공우주, 자동차 및 토목 공학과 같은 산업에서 더 강하고 탄력적인 구조 개발을 이끌 수 있습니다. 이러한 분야는 모두 더 가볍고 가공이 용이하며 더 높은 강도와 강성을 가진 재료를 지속적으로 찾고 있습니다.

현재 혁신적인 연구팀은 향상된 에너지 흡수와 구조 강성을 제공하는 우수한 기계적 특성을 갖춘 새로운 보조축 재료 계열을 고무시키고자 합니다.

공학 적용: 다음 단계는?

많은 분석가들은 추가 연구 및 개발이 진행될 경우 향후 5~10년 내에 적용 사례가 등장할 것으로 예측합니다. 다음은 이 기술의 잠재적 적용 사례 중 일부입니다.

건설

엔지니어에 따르면 건설 부문이 주요 초점이 될 것입니다. 건축 및 건설 자재는 비용이 높으며 최근 몇 년간 가격이 급격히 상승했습니다. 이 개발은 다양한 방식으로 이 부문을 혁신할 수 있습니다.

첫째, 이는 건축가가 적은 재료로 더 강한 구조물을 만들 수 있게 합니다. 이 격자가 집의 강철 골조나 건물의 빔을 대체한다고 상상해 보세요. 개방형 및 폐쇄형 체스보드 레이아웃과 재료는 경량 구조에서 압축 시 보조축 거동을 제공합니다.

또한 건축가와 엔지니어는 더 탄력적인 건물을 설계할 수 있습니다. 지진 시 진동을 감소시키거나 바람이 부딪힐 때 특정 방식으로 강성을 높이도록 설계된 초고층 건물을 상상해 보세요. 이렇게 BLS는 시장 전반의 구조 공학 능력을 향상시킬 수 있습니다.

보호 장비

BLS가 관심을 갖는 또 다른 분야는 보호 장비 산업입니다. 이 재료는 착용형 보호 장비를 더 가볍고 탄력 있게 만들 것입니다. 격자 설계는 경량 장비가 가장 가혹한 조건과 충격에서도 견딜 수 있도록 보장하여 오늘날 가장 위험한 스포츠에서 새로운 수준의 안전성을 제공합니다.

군사

이 재료에는 여러 군사 적용 사례가 있습니다. 차세대 경량 및 초박형 방탄 조끼를 상상해 보세요. 엔지니어는 임시 교량과 같은 아이템을 더 쉽게 제작하여 조립 및 운송을 개선할 수 있습니다. 또한, 강화된 강성이 필요하지만 무게 제한을 충족해야 하는 차세대 차량 및 기타 장비 제작에도 활용될 수 있습니다.

더 멀리 날아가고 더 큰 손상을 견디는 드론이나 고탄환의 직접 타격을 파손 없이 견디는 헬멧을 생각해 보세요. 이러한 모든 것이 BLS 기술을 활용함으로써 가능해집니다.

의료 적용

의료 분야는 이 기술을 활용해 여러 절차를 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 동맥을 개방 상태로 유지하도록 설계된 임플란트는 극심한 압력 하에서도 조절 가능하고 수년간 변형 없이 지속되어야 합니다. 새로운 격자 설계는 필요할 때 더 높은 내구성과 강성을 제공하여 동맥이 폐쇄되는 것을 방지하고 생명을 구합니다.

자동차

이 기술은 다음 차량을 더 안전하고 효율적으로 만들 수 있는 다양한 방법을 제공합니다. 첫째, 업데이트된 튜브 설계는 현재 많은 제조업체가 사용 중인 강철 프레임을 대체할 수 있습니다. 이 새로운 설계는 제조 비용을 절감하고 강도와 내구성을 향상시킵니다.

또한, 이 기술을 사용하면 승차감을 크게 부드럽게 만들 수 있습니다. 이러한 재료로 만든 충격 흡수 및 진동 감쇠 구조를 상상해 보세요. 이러한 설계는 전체 무게를 늘리지 않으면서도 더 큰 편안함을 제공할 수 있습니다.

생체 모방 격자 구조 (BLS) 연구원

RMIT 혁신 구조 및 재료 센터가 주도한 연구에는 Jiaming Ma, Hongru Zhang, Ting-Uei Lee, Hongjia Lu, Yi Min Xie, Ngoc San Ha가 연구원으로 참여했습니다. 이제 이 팀은 강철과 같은 다른 재료를 활용해 그들의 창조물을 테스트할 계획입니다.

팀은 또한 고유한 특성을 가진 재료 조합을 활용해 성능을 더욱 향상시키려는 관심을 표명했습니다. 이러한 실험에는 다양한 재료로 빔과 사각형을 제작해 상호 작용하도록 하는 것이 포함됩니다.

재료 과학 분야 투자

재료 과학 분야에는 기술을 새로운 수준으로 끌어올리는 선도적인 제조업체들이 다수 있습니다. 이번 최신 개발은 시장에서 혁신이 진행되는 속도를 보여줍니다. 다음은 재료 과학의 돌파구를 통합해 ROI와 제품 라인을 강화할 수 있는 좋은 위치에 있는 혁신적인 기업입니다.

Hexcel Corporation

Hexcel Corporation (HXL )는 1948년에 설립되어 코네티컷에 기반을 두고 있습니다. 이 미국 기반 제조업체는 벌집 설계 재료를 전문으로 합니다. 설립 이래 Hexcel은 큰 성공을 거두었습니다.

흥미롭게도, 회사의 초기 주요 정부 계약 중 하나는 제2차 세계대전 당시 군용 항공기의 레이더 돔에 사용될 최신 벌집 재료를 개발하는 것이었습니다. 전쟁이 끝난 후, 회사는 California Reinforced Plastics와 Ciba Composites를 인수했습니다.

1995년에 Hercules Composites Products Division을 인수했습니다. 오늘날, 항공우주 및 산업용 고급 복합재 분야의 선도적인 혁신 기업으로 인정받고 있습니다. 이 회사는 1968년에 아폴로 11호 재진입 우주선 설계 및 제조에 크게 기여한 것으로 유명합니다.

Hexcel은 연구에 대한 여러 특허를 보유하고 있으며 구조적 완전성을 강화하고 무게를 줄이며 제조 옵션을 용이하게 하는 차세대 재료 개발에 지속적으로 자금을 투입하고 있습니다.

현재 Hexcel은 5,894명의 직원을 보유하고 있으며 2024년 매출은 19억 달러로 보고되었습니다. 대부분의 분석가들은 이 회사가 정부 계약과 차세대 기술 지원을 지속적으로 확보하고 있기 때문에 주식을 강력한 ‘매수’로 평가합니다. 이러한 요인과 회사의 역사 및 위치가 결합되어 HXL은 어떤 포트폴리오에도 현명한 추가가 됩니다.

Hexcel Corp. 최신 소식

생체 모방 격자 구조의 미래

생체 모방 격자 구조가 시장에 제공하는 이점을 살펴보면, 언젠가 전자 제품을 더 가볍게 만들고, 보호 장비를 더 안전하게 하며, 미래의 차량을 더 견고하게 만드는 데 중요한 역할을 할 것임을 쉽게 알 수 있습니다.

또한 3D 프린팅의 발전으로 엔지니어가 초고성능 보조축 구조와 재료를 모델링하고 제작하는 것이 더욱 쉬워질 것입니다. 현재로서는 이 팀이 보조축 재료가 어떻게 작동하는지와 진화가 설계를 어떻게 개선했는지를 밝힌 공로를 인정받아야 합니다.

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참고 연구:

^{1. Zhu, Y., & Zhang, X. (2024). 격자 구조의 보조축 거동 및 에너지 흡수 특성. Composite Structures, 300, 116-123. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118835}