複雑な材料の構築プロセスを簡素化する

科学者は、独自の機械的特性を持つ多くの細胞メタマテリアル構造を迅速に設計できます。

メタマテリアルは、構成要素であるベースマテリアルとは異なる材料特性を引き起こすため、長年の関心を集めている構造です。 メタマテリアルは、多くの場合、調整可能な準拠、キラル、オーゼティック、および非相反的な挙動など、自然界では見られない挙動を示します。

特定のメタマテリアルの挙動は、主にそのセル構造によって支配されます。セル構造とは、指定された体積を満たすために使用される固体領域と空隙の規則的またはランダムな空間配置です。 しかし、どの細胞構造が望ましい特性をもたらすかを知ることは困難です。 したがって、エンジニアが手動で調査できるのは、仮説上可能なすべての細胞メタマテリアルのうちのほんの一部だけです。

MIT とオーストリア科学技術研究所の研究者によって作成された計算手法を使用すると、ユーザーはこれらの小さな建築コンポーネントからメタマテリアル セルを迅速に設計し、完成したメタマテリアルの特性を評価することが簡単になります。

彼らの方法は、メタマテリアル用の特殊なコンピュータ支援設計 (CAD) システムに似ており、エンジニアは非常に複雑なメタマテリアルであっても迅速にモデル化し、他の方法では構築に数日かかる可能性がある設計を実験することができます。 ユーザーは必要な建築要素をすべて利用できるため、ユーザーフレンドリーなインターフェイスのおかげで、潜在的なメタマテリアル形状の空間全体を探索することもできます。

MIT 電気工学およびコンピュータ サイエンスの大学院生、リアン マカトゥーラ氏は次のように述べています。「私たちは、エンジニアが伝統的に関心を示してきたさまざまな形状をすべてカバーできる表現を考え出しました。それらはすべて同じ方法で構築できるため、より多くの形状を切り替えることができます」流動的に。」

細胞メタマテリアルを開発する際、科学者は通常、潜在的なデザインを説明する表現を選択することから始めます。 この選択により、探索に使用できる形状のセットが決まります。

ただし、これにより、薄いプレートや球のような 3D 構造など、他の要素に基づいたメタマテリアルを探索することができなくなります。 これらの形状はさまざまな表現で提供されますが、すべての形状を記述するために使用できる単一のアプローチはまだありません。

マカトゥーラ氏は、「事前に特定の部分空間を選択すると、探索が制限され、直感に基づいたバイアスが生じることになります。 これは便利なこともありますが、直感が間違っている可能性もあり、特定の用途に合わせて他の形状を検討する価値もあったかもしれません。」

科学者たちは一歩下がって、さまざまなメタマテリアルを注意深く観察しました。 彼らは、低次元の形状が全体の構造を構成する形状を記述できることに気づきました。 たとえば、ビームを線に縮小したり、薄いシェルを平面に縮小したりできます。

彼らはまた、細胞メタマテリアルには対称性が含まれることが多く、構造全体のごく一部のみを表現する必要があることも観察しました。 残りの部分は、最初のコンポーネントを回転およびミラーリングすることで組み合わせることができます。

これら 2 つの観察を組み合わせることで、科学者は細胞メタマテリアルをグラフ構造として適切に表現できるというアイデアを思いつきました。

ユーザーは、頂点とエッジ構築ブロックを使用したグラフベースの表現を使用して、メタマテリアル スケルトンを構築します。 たとえば、梁の各端点に頂点を配置し、それらを線で接続して梁構造を構築します。

次に、そのライン上の関数を使用してビームの厚さを指定します。ユーザーは、ビームの異なる部分が異なる厚さになるように調整できます。

サーフェスを扱う場合も同様の手順が適用されます。 まず、ユーザーは最も重要なフィーチャの頂点をマークしてから、サーフェスの残りの部分を推測するソリューションを選択します。

ユーザーは、これらの使いやすいソルバーを使用して、非常に複雑なタイプのメタマテリアルである三重周期最小曲面 (TPMS) を迅速に構築することもできます。 これらの構造は非常に強力ですが、通常の開発はより複雑で間違いが発生しやすい可能性があります。