深海海綿動物からヒントを得た超強力新素材

RMIT 大学のエンジニアは、ビーナスの花かごとして知られる深海海綿動物の複雑な骨格にヒントを得て、比類のない圧縮強度と剛性を誇る革新的な素材を開発しました。この新しいデザインである二重格子構造は、世界中の建築デザインや製品デザインを再定義する可能性を秘めています。

RMITの革新的構造・材料センター（CISM）の博士研究員、Jiaming Ma氏が率いる研究チームは、太平洋の深海に生息するビーナス・フラワーバスケット・スポンジのユニークな特性を調査した。

彼らの研究により、スポンジの骨格が持つ驚くべき剛性と強度、そして圧縮によって収縮する能力が明らかになった。この特性はオーゼティック挙動と呼ばれる。従来の素材は伸ばすと薄くなり、圧縮すると太くなるが、オーゼティックはその逆の挙動を示す。

「ほとんどの材料はゴムのように伸ばすと薄くなり、押しつぶすと太くなりますが、オーセチックはその逆です」とマー氏は述べた。 ニュースリリース「オーゼティックは衝撃エネルギーを効果的に吸収・分散できるため、非常に有用です。」

オーゼティックはまったく新しいものではありません。天然の例としては腱や猫の皮膚があり、合成オーゼティックは医療用ステントの拡張に使用されています。しかし、剛性とエネルギー吸収能力が低いため、その用途は限られていましたが、この新しい二重格子設計は、その制限を効果的に克服しています。

「それぞれの格子は、それ自体では従来の変形挙動を示すが、深海スポンジのように自然界で行われているようにそれらを組み合わせると、自己調整して形状を維持し、類似の材料をかなり大幅に上回る性能を発揮する」とマー氏は付け加えた。

チームの調査結果によると、 公表 複合構造誌に発表された論文によると、この格子設計は、凹角ハニカム構造をベースとすることが多い既存のオーゼティック材料よりも 13 倍も剛性が高いことが明らかになっています。また、驚くべきことに、ひずみ範囲も 60% 広く、エネルギー吸収能力も 10% 増加しています。

キャプション： チームの二重格子構造 (左) は、標準的なリエントラントハニカム設計 (右) よりも優れた性能を発揮します。

クレジット： RMIT大学

RMIT の土木・インフラ工学の講師である Ngoc San Ha 氏は、この生物にヒントを得た素材の変革の可能性を強調しました。

「この生物にヒントを得たオーセチック格子は、次世代の持続可能な建物を開発するためのこれまでで最も強固な基盤を提供します」と彼はニュースリリースで述べた。「高い剛性とエネルギー吸収性を備えた当社のオーセチックメタマテリアルは、建設資材から防護具、スポーツ用品、医療用途まで、複数の分野で大きなメリットをもたらす可能性があります。」

最もすぐに応用できる分野の一つは、建設業界です。オーセチック格子構造は、鉄骨の建物のフレームとして機能する可能性があり、構造の完全性を損なうことなく、過剰な鉄やコンクリートの必要性を減らします。また、軽量スポーツ用具、防弾チョッキ、医療用インプラントの革新への道を開く可能性もあります。

RMIT 名誉教授のマイク・シー氏は、このプロジェクトが自然からインスピレーションを得たものだと称賛し、「バイオミミクリーは、このような美しくエレガントなデザインを生み出すだけでなく、何百万年もの進化を通じて最適化された、私たちが学ぶべきスマートなデザインも生み出します」と付け加えた。

現在、RMIT チームはコンピューター シミュレーションと熱可塑性ポリウレタンから作られた 3D プリント サンプルを使用して設計をテストしています。

次の段階は、建設プロジェクトでコンクリートや土塁と統合するための鋼鉄バージョンを生産することです。馬氏は、彼らの仕事のより広い影響について示唆しました。

「このデザインはスポーツ用具、PPE、医療用途に有望な応用が期待できるが、私たちの主な焦点は建築と建設の側面にある」と馬氏は付け加えた。

「私たちは、優れたオーセティック性、剛性、エネルギー吸収性を独自に組み合わせた設計により、建設における鉄鋼とセメントの使用を削減し、より持続可能な建築材料を開発しています」と彼は続けた。「オーセティック性とエネルギー吸収性は、地震の際の振動を緩和するのにも役立ちます。」

さらに、チームはこの革新的なデザインを機械学習アルゴリズムと組み合わせてプログラム可能な材料を作成し、高度に最適化されたスマート材料の新時代を切り開くことを計画しています。