มหาวิทยาลัย MIT ร่วมมือกับมหาวิทยาลัย Northeastern พัฒนาวัสดุต้านทานแรงกระแทกชนิดใหม่เลียนแบบโครงสร้างของเส้นใบและปีกแมลงปอ

ความก้าวหน้าในทุกสาขาขึ้นอยู่กับวัสดุที่มีคุณภาพดีที่สุด เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยได้ออกแบบวัสดุใหม่ที่เรียกว่า "วัสดุซูเปอร์สเกล" โดยการนำความยุ่งเหยิงที่ได้รับแรงบันดาลใจจากโครงข่ายธรรมชาติมาใช้ เช่น เส้นใบและเส้นเลือดของปีกแมลงปอ วิศวกรใช้เวลาหลายสิบปีในการแสวงหาความสมบูรณ์ทางคณิตศาสตร์ โดยการออกแบบวัสดุซูเปอร์ที่เลียนแบบหน่วยพื้นฐานในระดับจุลภาคเดียวกันเพื่อสร้างโครงสร้างรังผึ้งและลายตาข่าย อย่างไรก็ตาม ความร่วมมือครั้งล่าสุดระหว่าง MIT และมหาวิทยาลัย Northeastern แสดงให้เห็นว่าการออกแบบที่มีความยุ่งเหยิงเล็กน้อยนั้นให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า การทดสอบทางกายภาพแสดงให้เห็นว่าวัสดุที่ไม่เป็นระเบียบเหล่านี้มีประสิทธิภาพในการต้านทานแรงกระแทกได้ดีกว่า โดยให้ความแข็งแรงที่ปรับได้และปกป้องวัตถุที่เปราะบางภายในจากความเสียหาย

เทคโนโลยีนี้มีแนวโน้มที่จะส่งเสริมการพัฒนาหมวกกันน็อคกีฬาและเสื้อเกราะกันกระสุนที่มีความปลอดภัยมากขึ้น รวมถึงอาจนำไปสู่การสร้างเลนส์อะคูสติกที่มีความแม่นยำในการควบคุมคลื่นเสียงและการสั่นสะเทือน

การออกแบบวัสดุซูเปอร์สเกล

การวิจัยได้นำเสนอวัสดุ "ซูเปอร์สเกล" ซึ่งเป็นโครงสร้างสังเคราะห์ที่ละทิ้งตาข่ายที่เป็นระเบียบ โดยแทนที่ด้วยการเลียนแบบเส้นใบ การเชื่อมต่อของเส้นประสาท หรือแม้กระทั่งโครงข่ายอินเทอร์เน็ตที่ยุ่งเหยิง ตวัวัสดุซูเปอร์ที่เป็นระเบียบมีจุดอ่อน: เมื่อหน่วยเดียวในตาข่ายที่ซ้ำกันเกิดรอยแตกหรือถูกเจาะ หน่วยที่เหมือนกันรอบๆ จะตามมาทันที ส่งผลให้เกิดการล่มสลายแบบลูกโซ่ รองศาสตราจารย์ Carlos Portela แห่ง MIT และทีมงานของเขาต้องการตัดการล้มเหลวในพื้นที่นี้ จึงได้ร่วมมือกับนักฟิสิกส์ Albert-László Barabási แห่งมหาวิทยาลัย Northeastern ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกด้านวิทยาศาสตร์เครือข่าย

อาชีพของเขามุ่งเน้นไปที่การวาดภาพเครือข่ายที่มองไม่เห็นตั้งแต่การเชื่อมต่อในโซเชียลมีเดียไปจนถึงตลาดการเงิน เพื่อสังเกตว่าเครือข่ายเหล่านี้สามารถต้านทานการล่มสลายได้อย่างไร นักวิจัยได้ร่วมกันแปลงกฎทางคณิตศาสตร์ที่เป็นนามธรรมเหล่านี้ให้เป็นวัสดุทางกายภาพที่เป็นรูปธรรม

ทีมงานได้เขียนอัลกอริธึมที่สร้างแผนผังวัสดุเสมือนที่ไม่ใช้รูปแบบซ้ำใดๆ โปรแกรมจะเลือกจุดหนึ่งแบบสุ่มในพื้นที่และวาดเส้นหนึ่งไปทั่วพื้นที่ ตามที่ระบุในข่าวประชาสัมพันธ์ จากนั้นจะเลือกจุดสุ่มที่สองและวาดเส้น เมื่อพบกับเส้นแรกหรือขอบด้านนอกจะหยุด ทำซ้ำกระบวนการนี้หลายพันครั้ง สร้างโครงสร้างที่หนาแน่นและมีลักษณะคล้ายเครือข่ายที่มีคานรองรับข้ามขนาดและความหนาที่แตกต่างกัน ทีมงานได้พัฒนาอัลกอริธึมที่สร้างเครือข่ายคานรองรับที่มีข้อจำกัดทางกายภาพ ในที่นี้ เครือข่ายคานรองรับได้สร้างสัญลักษณ์ของ MIT

วิธีการปรับความแข็งของวัสดุ

นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับแต่งความแข็งของวัสดุโดยการปรับสองพารามิเตอร์ในอัลกอริธึม: ความหนาของเส้นเริ่มต้นและอัตราการบางลงของเส้นถัดไป หลังจากจำลองการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ นักวิจัยได้พิมพ์ตัวอย่างโพลีเมอร์ขนาดเท่าบัตรเครดิต ซึ่งมีคานเชื่อมต่อที่มีขนาดตั้งแต่ไมโครเมตรถึงเซนติเมตร นอกจากนี้ การทดสอบทางกายภาพยืนยันว่าเครือข่ายที่ยุ่งเหยิงเหล่านี้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าวัสดุที่มีระเบียบแบบดั้งเดิมในทุกด้าน การออกแบบซูเปอร์สเกลสามารถดูดซับแรงกระแทกที่รุนแรงอย่างฉับพลันโดยไม่เปลี่ยนรูป ให้ความแข็งที่ปรับได้หลากหลาย และสามารถบรรเทาวัตถุที่ละเอียดอ่อนที่ฝังอยู่ภายในได้สำเร็จ "นี่เป็นแนวคิดใหม่สำหรับวัสดุซูเปอร์" Portela กล่าว

“การปลดล็อกการออกแบบเครือข่ายของวัสดุนี้ทำให้เราสามารถคิดอย่างอิสระเกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาคใหม่และข้อได้เปรียบทางกล ซึ่งในอดีตไม่สามารถทำได้” ในการใช้งานจริง ผู้ผลิตสามารถใช้ประโยชน์จากอัลกอริธึมนี้ในการพิมพ์หมวกกันน็อคกีฬาและเสื้อเกราะกันกระสุนรุ่นถัดไป รวมถึงเลนส์อะคูสติกที่สามารถควบคุมคลื่นเสียงและการสั่นสะเทือนอย่างแม่นยำในระดับที่ไม่เคยมีมาก่อน ผลการวิจัยได้เผยแพร่ในวารสาร Nature

ผลกระทบของการออกแบบวัสดุใหม่ต่ออุปกรณ์ความปลอดภัย

การพัฒนาวัสดุ "ซูเปอร์สเกล" ใหม่แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างในธรรมชาติที่สามารถนำไปใช้ในทางปฏิบัติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอุปกรณ์ความปลอดภัย เช่น หมวกกันน็อคกีฬาและเสื้อเกราะกันกระสุน วัสดุประเภทนี้มีประสิทธิภาพในการต้านทานแรงกระแทกที่เหนือกว่า สามารถปกป้องวัตถุที่เปราะบางภายในได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งมีความสำคัญต่อการเพิ่มความปลอดภัยของผลิตภัณฑ์ นอกจากนี้ ความสำเร็จของการวิจัยนี้ยังแสดงให้เห็นว่าความร่วมมือระหว่างคณิตศาสตร์และฟิสิกส์สามารถสร้างการออกแบบวัสดุที่ไม่เคยมีมาก่อน ซึ่งจะนำเสนอแนวทางใหม่สำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีในอนาคต