将来の高層ビル、橋、宇宙船のインスピレーションとしての海のスポンジ

「海のスポンジ」という言葉を口にすると、非常に人気のある漫画のキャラクターのイメージが頭の中にあるかもしれません。しかし、最高の従業員であるKrusty Krabは、彼の実際のプロトタイプとは何の関係もありません。視覚的には、さまざまな種類の海のスポンジが異なって見えます。古代ギリシャの両生類、複雑な風の道具、乾燥した木の枝、派手な花などです。しかし、外観の背後には信じられないほど複雑な細胞構造があり、ここ数年、科学界の注目を集めています。ハーバード大学の研究者は最近、海のスポンジの構造的特徴が、より強く、より高い超高層ビル、より長い橋、超軽量宇宙船のインスピレーションとして役立つことを発見しました。海のスポンジの構造がユニークなのはなぜですか、その機械的特性は何ですか、そして得られたデータに基づいて作成されたプロトタイプの結果は何ですか？これらの質問に対する答えは、科学者のレポートにあります。行く。

研究基盤

世界には約8000種の海のスポンジがありますが、この研究では6光線のスポンジ（Hexactinellida）に焦点を当てています。このタイプのスポンジも非常に多様で、約600種あります。彼らは5メートルから6000メートル以上の深さの海に住んでいます。



6線スポンジは、相互に垂直な3つの平面に配置された6線シリコン針で構成される骨格の構造からその名前が付けられました。Hexactinellidaの



体型は、管状、ゴブレット、ゴツゴツ、プロセッシブ、ローブなど、大きく異なる場合があります。視覚的な違いにもかかわらず、すべての種の体組成は非常に似ています。体の基本は単一のシンシチウム*です。

* — , .

(Hexactinellida): — ; - — ; — ; — .

ガラススポンジが建築や橋の建設に非常に役立つ理由を理解するには、図だけで十分です。



この研究では、科学者は、ユニークな階層構造と多くの長さスケールでの機械的強度を備えたEuplectella aspergillumスポンジ（金星フラワーバスケット）の鉱化骨格系を調べました。





Euplectella aspergillum（上面図）。E. aspergillumの



ガラス質骨格要素（スピクル）は、固結したシリカナノ粒子（二酸化ケイ素、SiO _2）の交互の同心円層に囲まれた中央のタンパク質コアで構成されています。）および薄い有機層。スピキュールは正方形のグリッドを形成するように編成され、対になった斜めの支柱の2つの交差するセットによって補強され、開いたセルと閉じたセルが交互に並ぶ市松模様のようなパターンを作成します。





画像＃1



これまで、亀裂の伝播を遅らせ、曲げ強度を高める上での多層スピキュール構造の影響はすでに調査されていますが、スピキュールの2対角正方格子の潜在的な機械的利点はあまり注目されていません。



科学者は、このような骨格系に見られるようなそのオープンセル格子リコールE. aspergillumを軽量でエネルギー吸収が高く、音響波と熱波の伝搬を制御できるため、エンジニアリングのコンテキストで一般的に使用されます。原則として、そのような幾何学的形状の特性と機能は、それらのノード（交差点）の接続のタイプと特性に依存します。



たとえば、張力が支配的な2次元格子では、ノードの最小数が6である必要があります。これにより、構造アプリケーションでより高い強度対重量比が実現されます。ただし、荷重ベクトルに横成分がある場合、単純な正方形のジオメトリ（4つの結び目接続）の格子はかなり不安定になるため、安定化には斜めの接続が必要です。



今日検討している作業では、科学者はE.aspergillumの骨格を機械的に堅牢な正方格子構造を作成するための基礎として使用しました。研究中、実験的および数値的分析法を使用して、スポンジの骨格格子の機械的特性を決定しました。

研究成果

スポンジの骨格構造の機械的利点をよりよく理解するために、その形状特性を、底が正方形である他の3つの2次元格子の形状特性と比較しました（4つすべてが同じ体積、つまり同じ量の材料を持っていました）。



これらの構造のそれぞれにおいて、基本的な正方形のアーキテクチャは、長さLの要素と、面外変形を回避するのに十分な大きさの深さHの長方形の断面で構成されていました。



海のスポンジに触発されたオプションAは、厚さT _A、nd = 0.1 Lの水平および垂直（非対角）要素と、厚さT _A、dの2組の平行な二重対角線で構成されていまし_た。=ノード（2）から距離S = L /（√2+ 2）にある0.05L。





画像＃2



オプションBも、T _B、nd = 0.1 Lのスポンジアーキテクチャに基づいていましたが、厚さT _B、d = 0.1 Lの対角線が1つだけ含まれ、各クローズドセルを横切っていました（2b）。



オプションC（T _C、nd = 0.1 L）は、最新のエンジニアリングアプリケーションで使用されているアーキテクチャに基づいており、各セル（2c）に厚さT _C、d = 0.05Lの交差した斜めのビームのセットがありました。 オプションDには斜めの補強がなく、その水平および垂直部材はT _D、nd = 0.1L（1 + 1 /√2）（



2d）。



まず、上記の4つの格子変形の垂直要素に沿った一軸圧縮下の機械的応答を分析しました。



L = 1.5cmおよびH = 4 cmの正方形セルの6x6モザイクを含むサンプルは、Connex500 3Dプリンター（Stratasys）で作成されました。一軸圧縮は、50 kNロードセル（2e）を備えたInstronデバイス（モデル5969）を使用して実行されました。



グラフ2fは、2つの主要な結論を導き出すことができる応力-ひずみ曲線を示しています。まず、すべての対角線補強設計（オプションA、B、およびC）の初期弾性応答はほぼ同じであり、異なる対角線補強設計が構造の初期全体剛性に影響を与えなかったことを示しています。オプションDは、予想どおり、垂直部材と水平部材が厚いため、初期剛性が高くなっています。



第二に、すべての曲線は明確な最大耐荷重能力を示しており、構造A（スポンジに着想を得た変形）が最大の荷重を受けています。



各最大荷重は座屈の開始に対応していたため、科学者は、設計Aが検討されたすべての座屈オプションの中で最も高い臨界座屈応力を持っていると結論付けました。



さらに、対角線のある3つの構造すべてで、安定性が失われた後のダイナミクスにより、サンプル全体で構造が均一に変化することがわかりました（2e）。



しかし、バリアントDでは、臨界モードにより、正方形のセルのサイズよりもはるかに長い波長が発生し、安定性が失われた後、圧縮された湾曲したビームの形状と質的に類似した形状が形成されました。



スポンジに着想を得た格子設計がどのように大幅な機械的改善をもたらしたかを理解するために、ABAQUS /標準ソフトウェアを使用して有限要素シミュレーションを実行しました。



モデリングでは、Timoshenkoビームエレメント（エレメントタイプABAQUS B22）を使用してジオメトリを構築し、せん断弾性率μ= 14.5MPaの非圧縮材料モデルを使用して材料反応を記録しました。



モデリングプロセスは、次の3つの段階で構成されています。

• 座屈分析;
• 次に、最小の座屈モードの形でグリッドノードに外乱が適用されました。
• 大きな変形での非線形応答を評価するための静的非線形分析。

グラフ2fは、数値結果と実験結果が非常によく一致していることを示しています。



さらに、有限要素モデルは、負荷の方向の影響を研究するために意図的に拡張されました。計算コストを削減し、エッジ効果を排除するために、構造の周期性を使用し、適切な周期的境界条件を持つ代表的なボリューム要素（RVE）の応答を調査しました。





画像3号



で、図3（a）は、荷重角度（θ）による実効構造剛性（E）の変化を示しています。斜めの補強材を含むすべての構造の剛性は、どの荷重角度でも実質的に同じであることがわかりました。この事実は、構造の剛性が主に荷重の方向に沿って分布する材料の量によって決定されたことをさらに確認します。



その結果、すべての材料が非対角要素として分類された構造Dは、θ= 0°で最高の剛性を示しましたが、θ= 45°での支持力はごくわずかでした。



さらに、構造体Aの座屈特性にθの影響- 。Dを検討した実効クリティカル曲げ応力（σ _CR）の設計Aは、θ（3b）のすべての値について、他の斜めの補強設計（設計BおよびC）のそれよりも高かった。これらの構造が無限であると仮定すると、構造Dは27°<θ<63°の間隔で構造Aよりも優れています。ただし、構造Dの全体的な座屈挙動を考えると、このような特性は境界効果の影響を大きく受け、適切なサイズの10x10 RVE（3d）の構造を検討すると、臨界座屈応力が大幅に減少しました。さらに、構造Aの形状は、さまざまなレベルの無秩序を導入することによって格子を変更した後でもその堅牢性を維持しました。これは、海のスポンジの骨格で観察された特徴と一致しています。



上記のシミュレーションと実際のテスト結果は、スポンジスケルトンに基づく設計オプションAが、競合他社（オプションB、C、およびD）を明らかに上回っていることを明確に示しています。しかし、科学者たちはさらに良い構造を作ることが可能かどうか疑問に思ったため、これについてのテストは完了しませんでした。



この目的のために、正方格子の対角要素の数（N）を決定することを目的とした最適化問題が定式化されました。これにより、より高い臨界曲げ応力を達成できます。また、これらの要素と格子接合部の節点S _i（i = 1、2、...、N）との間の距離、および対角要素と非対角要素の比率λ= V _nd / V _d（V）を確立する必要がありました。_ndと_Vdは、それぞれ非対角要素と対角要素の体積です）。これらすべての変数は、何らかの形で曲げ応力インジケーターに影響を与えます。



テスト中、3x3 RVE構造は、非対角要素と平行に一軸圧縮されました（θ= 0°）。目的関数Z =Σ _CRは、共分散行列適応進化アルゴリズム（CMA-ES）のPython実装に関連して、有限要素モデリングを使用して最大化しました。 CMA-ESで定義された各入力データセットのために、有限要素解析座屈がσ得た_CR続いて目的関数を推定するために使用し、Z.



7つの異なる最適化が実行され、それぞれが1から7の範囲の固定整数の対角要素Nを考慮しました（N = ℤϵ [1、7]）。システムの対称性を確保するために、次のルールが考慮されました。Nが偶数の場合、S _{2i − 1} = S _2i（i = 1、2、...、N / 2）。Nが奇数の場合、S ₁ = 0および_{S2i − 1} = S _2i（i = 2、3、...、（N-1）/ 2）。





画像№4



グラフ4aは番組最高値σ _crが、特定のモデルCMA-ESはN.それ考慮されるすべての値の最高値σことが判明した_CR以前にテストしたデザインAの場合よりもわずか9.55％高かった。このテストでは、シミュレートされたデザインも海のスポンジに触発された。2つの対角線がノードからS = 0.1800 Lの距離にあり、体積分布はλ= 0.6778）。シミュレーション結果は実験的に確認されています（4b）。



科学者たちは、海のスポンジE. aspergillumの骨格構造は、単なる格子構造（構造A）以上のものに大きなインスピレーションを与えていると述べています。これを実証するために、画像5aは、3点曲げ応力を受けた薄い11x2の正方形メッシュモザイクを示しています。





画像＃5



実験として（5b）および有限要素シミュレーションにより、スポンジに着想を得た設計はより剛性が高く、より広い範囲の適用変位にわたって15％高い負荷を処理できることが実証されました。



研究のニュアンスについてのより詳細な知識については、科学者の報告とそれに追加された資料を調べることをお勧めします。

エピローグ

自然はこれまでも、そしてこれからも、科学研究の主なインスピレーションの源の1つです。この作品では、この声明は、骨格構造が驚くべき特徴を持っている種Euplectellaaspergillumの海のスポンジの例によって確認されました。主な特徴は、この生物学的構造が大きな負荷に耐えることができる一方で、最小限の量の材料がその構造に関与していることです。言い換えれば、海のスポンジは非常に多孔質ですが（大まかに言えば）、非常に耐久性があります。



この研究は、海のスポンジの骨格の構造が人間の活動のさまざまな分野で非常に役立つ可能性があることを示しています。建設にスポンジアーキテクチャを導入することで、より高い超高層ビルとより長い橋を作成できると同時に、最適な量の材料が使用され、完成した構造の強度に影響を与えることはありません。船の質量を最小限に抑えると燃料消費量が最小限になるため、この手法は航空機の建設、造船、さらには天文学にも使用できます。





ご清聴ありがとうございました。好奇心を持ち、素晴らしい週末をお過ごしください。:)

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