この巻き貝からヒントを得た素材は、ヘルメットと防具をより安全にする

動物や植物の世界は何年も前から科学者に刺激を与えてきました。科学者は、なぜ特定の生物が衝撃に対して回復力があるのか​​について長い間興味を持っていました。 キツツキの頭蓋骨とくちばし、魚のうろこが重なる保護方法、または落下する果物が開かないようにする厚い外皮を考えてください。

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この分野のスーパースターの1人は、海を聞くために耳につかったかもしれない女王貝の貝です。 女王貝は波と捕食者によって打ちのめされますが、その殻を構成する材料の構造は非常に強力です。 これは、異なる方向に配置され、より柔らかいタンパク質で分離された十字形の炭酸カルシウム層を特徴とするシェルの構造によるものです、と研究所がこの構造の人工レプリカを設計したMIT工学教授Markus Buehlerは説明しますヘルメットやその他の防護装甲で使用され、その結果をジャーナルAdvanced Materialsに発表しました 。 巻き貝と人工の両方のバージョンでは、素材の「粒子」が90度交互に変化するため、特定の方向からの衝撃が通り抜けることはほとんどありません。

「これらのシステムを分析してモデル化し、最適化を試みることができるだけでなく、これらのジオメトリを使用して実際に新しい材料を実際に作成できます」とBuehler氏は言います。

科学者はこれまでシェルの構造をモデリングしていましたが、3Dプリンティングの進歩により、ビューラーのチームはそれを再現できるようになりました。 重要な革新は、シェルの炭酸カルシウム層とタンパク質層を複製するために、複数の関連するポリマーを放出できる押出機（材料が流れるノズル）であり、1つは非常に硬く、もう1つはより柔軟です。 ポリマーは類似しているため、接着剤を使用せずに結合できるため、バラバラになりにくくなります。 異なる速度で5.6キログラムの鋼鉄の重りを材料のシートに落とすことによって行われるテストでは、十字構造は、それが無い同じ材料と比較して、吸収できるエネルギーが85％増加したことを示しました。

自然に基づいて物事を設計するのは簡単に思えるかもしれませんが、オブジェクトを直接コピーするだけでなく、考慮すべきことがたくさんあります、とインディアナ大学-パデュー大学インディアナポリス機械工学教授アンドレアス・トバールは指摘します。 MITの研究に所属していなかったTovarは、水滴に基づいた車のデザインや胸郭に似た構造で保護されているなど、生物にヒントを得た保護構造にも取り組んでいます。

「バイオにヒントを得たデザインを行うには、2つの方法があります」と彼は言います。 「1つは、自然の構造を観察し、その構造を模倣しようとすることです。 たとえば、Tovarは、人間の骨を構築する細胞プロセスを模倣するアルゴリズムを開発しました。これは、2番目のアプローチの例です。 対照的に、ビューラーは、女王巻き貝のより大きな材料、または器官レベルの構造から始め、人工材料でその構造を再現する方法を尋ねました。

トバーとビューラーの両方の作品は、構造のどの部分がその機能に役立つのか、そして異なる進化の圧力の痕跡が何であるかを見分けることを伴います。 たとえば、生物とは異なり、生物にヒントを得たヘルメットには、呼吸や成長などの生物学的機能を含める必要はありません。

「重要な点の1つは、[ビューラーの研究室]が自然界に見られる階層的な複雑さを再現していることです」とTovar氏は言います。 「積層造形法を使用して製造できます。 彼らはテストし、機械的性能のこの印象的な増加を確認します。」

Buehlerは、国防総省から資金を受け取っており、国防総省は兵士用のヘルメットとボディアーマーに関心を持っていますが、自転車やサッカーヘルメットなどのスポーツでも同じように適用でき、おそらくより便利だと言います。 「それらは最適化され、現在の設計要件を超える可能性があります。これは非常に単純です。発泡体があり、ハードシェルがあり、それだけです」と彼は言います。

Buehler氏によると、ヘルメットはまだありません。彼らは素材を作成し、次にヘルメットに適用する予定です。 そして、素材を超えたデザインも重要です。 「ここで使用した硬くて柔らかい材料、3Dプリントした材料を使用しなくても、他の材料で同じことをすれば、鋼鉄やコンクリート、または他の種類のポリマー、おそらくセラミックを使用できます—同じこと、つまり同じ構造を実行することで、実際にそれらの特性さえも、それ自体でできることを超えて強化することができます」と彼は言います。