麻省理工学院と東北大学が共同開発した新型抗衝撃材料は、葉脈と蜻蜓の翼の構造を模倣している。

さまざまな分野の進歩は、最適な質の材料に依存している。最近、研究者たちは新しい「富尺度超材料」を設計し、葉脈や蜻蜓の翼の静脈のような自然のネットワークに触発された制御された混乱を導入した。エンジニアたちは数十年にわたり数学的な完璧を追求し、同じ微視的基本単位を模倣して堅固なハニカムや格子を創造する合成「超材料」を設計してきた。しかし、麻省理工学院（MIT）と東北大学の最新の共同研究は、わずかな混乱のデザインがより優れた効果をもたらすことを証明した。物理的なテストは、これらの不規則な材料が抗衝撃性能において優れており、調整可能な剛性を提供し、内部の脆弱な物体を損傷から守ることを示している。

この技術は、より安全なスポーツヘルメットや軽量の防弾チョッキの開発を促進する可能性があり、音波や振動を高精度で制御する精密な音響レンズの実現も期待されている。

富尺度超材料の設計

研究は「富尺度超材料」を導入した。これらの合成構造は均一な格子を排除し、葉脈、神経接続、さらにはインターネットの混沌とした物理ネットワークを模倣する。均一な超材料には弱点があり、繰り返しの格子内の単一の単位に亀裂や貫通が発生すると、周囲の同じ単位が即座に連鎖的に崩壊する。麻省理工学院の副教授カーロス・ポルテラ（Carlos Portela）とそのチームは、このような局所的な失敗を断ち切ることを目指し、ネットワーク科学の先駆者である東北大学の物理学者アルベルト・バラバシ（Albert-László Barabási）と協力した。

彼のキャリアは、ソーシャルメディアのつながりから金融市場までの見えないネットワークを描写し、これらのネットワークがどのように崩壊に抵抗するかを観察することに捧げられている。研究者たちは、これらの抽象的な数学的規則を具体的な物理材料に変換することに共同で取り組んだ。

チームは、繰り返しのパターンを使用せずに材料の仮想設計図を生成するアルゴリズムを作成した。このプログラムは空間内のランダムな点を選択し、全体の領域に線を描く。ニュースリリースによれば、次に第二のランダムな点を選び、最初の線または外縁にぶつかるまで線を描き続ける。このプロセスを数千回繰り返すことで、さまざまなサイズと厚さの交差支持梁を持つ密なネットワークのような構造が創造される。チームは、物理材料の制約を持つ支持梁ネットワークを仮想生成するアルゴリズムを開発した。ここで、支持梁ネットワークは麻省理工学院のロゴを形成している。

材料剛性の調整方法

科学者たちは、アルゴリズム内の2つのパラメータを調整することで材料の剛性をカスタマイズできる：初期線の厚さとその後の線が薄くなる速度である。これらの変化をシミュレーションした後、研究者たちはクレジットカードサイズのポリマーサンプルを3Dプリントし、サンプルにはマイクロメートルからセンチメートルの相互接続梁が含まれている。さらに、物理的なテストは、これらの混乱したネットワークがあらゆる面で従来の秩序ある材料よりも優れていることを確認した。富尺度設計は、突然の激しい衝撃を吸収し変形せず、広範な調整可能な剛性を提供し、内部に埋め込まれた精緻な物体を成功裏に緩衝することができる。「これは超材料にとって全く新しい考え方である」とポルテラは述べている。

「この材料のネットワーク設計を解放することで、私たちは新しい微細構造と機械的利点を自由に考えることができるようになった。これは以前は実現不可能であった。」実際の応用において、製造業者はこのアルゴリズムを迅速に利用して次世代のスポーツヘルメットや軽量防弾チョッキ、そして前例のない制御で音波や振動を集中させる精密な音響レンズを印刷することができる。研究結果は『Nature』誌に発表された。

新材料設計が安全装備に与える影響

新型「富尺度超材料」の開発は、自然界の構造からのインスピレーションがどのように実際の応用に転換されるかを示しており、特にスポーツヘルメットや防弾チョッキなどの安全装備において重要である。この種の材料は抗衝撃性能が優れており、内部の脆弱な物体を効果的に保護することができ、製品の安全性向上に大きな意義を持つ。また、この研究の成功は、数学と物理の交差的な協力が前例のない材料設計を生み出すことができることを示し、未来の技術発展に新たな思考を提供する。