ノースウェスタン大学、マルチマテリアル 3D プリントによるバイオニック螺旋構造

著者: Hou Zhanghao、Tian Xiaoyong 出典: 機械製造システム工学国家重点実験室

らせん構造は植物や動物の構造によく見られ、これらの生物学的構造は高い損傷耐性と優れた破壊耐性を備えている傾向があります。しかし、従来の技術では複雑なバイオニック構造を生産することが難しく、多くの優れた生物学的構造の高性能メカニズムをさらに研究することができません。米国ノースウェスタン大学のザヘリ氏らは、ストラタシス社が開発したマルチマテリアル3DプリンターConnex350を使用して螺旋構造にバイオニックプリントを施し、螺旋構造の構造的損傷許容性能を研究した。

Zaheri らは、研究結果を ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS 誌に発表しました。論文では、異なるライフステージの甲虫の鞘翅における繊維の配列特性を体系的に分析し、鞘翅における繊維の配列は、異なるライフステージの甲虫の生物学的ニーズに応じて異なることを発見しました。図 1 に示すように、幼虫段階では繊維は完全に螺旋状に配列されていますが、成熟段階では繊維は不完全な螺旋状に配列されています。これは、幼虫段階では、甲虫の最大のニーズは自分自身の安全を守ることであるため、高剛性の生物学的目的は繊維の完全な配列によって達成され、成熟段階では、甲虫は獲物に餌を与える必要があるため、鞘翅は飛行性能のバランスをとる必要があり、不完全な螺旋配列設計が採用されているためです。
図1 異なる成長段階における甲虫の構造形態：幼虫（タイプI）と成虫（タイプII）
この論文では、異なるらせん角度が構造の総合的な性能に与える影響を体系的に分析しています。実験と分析により、単層のらせん角度が低いほど、等方性が向上し、靭性が向上し、らせん構造の柔軟性が高くなることが示されています。

生物には、人類に新しいアイデア、工学的問題に対する解決策、新しい材料や新しい構造の設計のための新しい設計アイデアを提供できる優れた構造が数多く存在します。螺旋構造と同様に、3Dプリントはその研究に有効な技術サポートを提供し、バイオニック材料の応用を実現する方法を提供します。将来、3Dプリントの発展により、バイオニック研究は新しい分野に参入するでしょう。

著者: Hou Zhanghao、Tian Xiaoyong 出典: 機械製造システム工学国家重点実験室

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