自然を利用する現代工学における生物から着想を得たネットデザインの力

自然から教訓を得て、高度な素材や構造を創造するバイオインスパイアード・ネットデザインの変革の可能性を探求します。 スポーツネット.アスレチックギア、複合材料、革新的なデザインへの応用を発見し、強度、耐久性、エネルギー吸収を強化します。

バイオインスパイアード・ネット：自然のデザインに学ぶ

この論文では、生物に着想を得たネットデザインの概要と、イノベーションにおけるその意義について紹介します。次に、バイオミミクリーとアスレチックギアを掘り下げ、昆虫の絹の類似体、基礎的な変形、エネルギー保持について説明します。次のセクションでは、バイオインスパイアされた複合材料について、天然繊維の複合材料、構造変換、およびエネルギー保持に焦点を当てます。続いて、デザインのモデルとしてのクモの巣、衝撃試験での使用、昆虫から着想を得た丸い断面など、生物から着想を得た素材に焦点を移します。

次に、ポニーの足にインスパイアされたデザイン、クモの巣プログレッシブシステム、ザボンの実にインスパイアされた構造を中心に、様々な層状のハニカムサンドイッチボードを取り上げます。最後に、バイオミミクリー、バイオミミクリーデザインの種類、適用可能な産業、付加製造技術に関連する主要な質問に対処するFAQのセクションが続きます。

バイオインスパイアード・プランは、設計の難題を解決するために自然から動機を引き寄せます。自然は何十億年もの間、進化を通じて計画を改良してきました。虫の正確な絹からシロアリの丘まで、自然は強度と頑丈さを向上させる抜け目のない配置を提供します。現在、バイオインスパイアード・シミュレーテッド・インテリジェンスは、計算表示と新しいプランの時代を通じて自然から得ることに取り組んでいます。このアプローチは以下の分野に応用されています。 スポーツバリアネット デザイン、高度な力学など、通常の基準を革新的に解釈することによって。昆虫の絹やゾウリムシの甲羅のような生物学的な枠組みを模倣することで、生物に触発されたネットの計画は、新しい優れた実行材料を促すことができます。

バイオミミクリーとアスレチックギア

昆虫シルク類似体

昆虫の絹は、おそらく自然界で最も根拠のある生物学に着想を得たネット素材。鋼鉄に匹敵する剛性を持ちながら、軽量ではるかに硬い。漠然としたタンパク質の骨格に埋め込まれたガラスのような部分の離散的な微細構造が、強度と適応性を与えています。科学者たちは、ポリカプロラクトンとセルロースナノ結晶を含む電気紡糸複合ナノファイバーを利用して昆虫の絹を模倣し、強度をさらに向上させました。

根底にある変革

通常のデザインは、素材のアップグレードとは対照的に、一次的な摩耗に耐えることがよくあります。骨は、コラーゲンフィラメントがネットワークを強化するような組成変化により、単調な負荷に耐えます。また、運動用具の一次的な変化は、竹にヒントを得たチューブのように、斜面繊維の散布のため、把持に強い丈夫さをさらに発展させます。

エネルギー保持

バグシルク単純繊維の研究では、並外れた明確なエネルギー保持力と剛性が明らかになりました。通常の靭帯も同様に驚くべき強度を示しました。 スポーツネット靭帯は力を伝えるために筋肉と骨を結びつけているにもかかわらず。バイオインスパイアされたネットの靭帯は、防御的なもの保持のための繊維を含み、さらに影響時のエネルギー分散を発達させました。

バイオインスパイアード複合材料

通常繊維複合材料

ジュート、亜麻、麻のような植物フィラメントの複合材料は、より低い厚みで、ガラス繊維に対して熾烈な機械的特性を示しました。一方向性のサイザル麻／エポキシ複合材料は、Eガラス／エポキシと同様の剛性と固さを達成しました。通常製造されるハイブリダイゼーションは、欠点を緩和しながら資質を利用しました。

一次トランスフォーメーション

機械的特性の勾配を通して圧力に耐える、いくつかの生物に着想を得たネット材料。竹の維管束は、空隙率が減少するにつれて外側に向かう強度の増加を示しました。バイオミメティック複合材料は、竹をエポキシ樹脂で固め、気孔率を段階的に変化させた空のミクロスフェアを用いることで、一次的な変化を改善しました。

エネルギー保持

例えば、木材にインスパイアされたオーバーレイチューブなど。より大きな大型チャンバーに設置されたこれらのカバー付き小型チャンバーは、同等の質量を持つ均質な容器よりも40%高いエネルギーを保持しました。アルミニウムの発泡チューブの下にある角のようなザボンのストリップは、エネルギー保持を1.5倍に拡大する頑丈さを備えています。

バイオインスパイアード材料

プランのモデルとしてのクモの巣

Cobwebsは、数学的な例を通してドラッグとソリッドネスを合理化しました。その複雑なデザインは、計算された液体要素の再現と地形の流線形に触発されました。バイオに着想を得た3Dプリントネットワークは、標準的なハニカムグリッドよりもさらに強固な37%を開発しました。

効果測定のためのクモの巣

無限小デザインに触発されたバグネットワークは、異方性3Dプリントの安全な影響の計画を指示しました。 スポーツネット素材.数学的境界は、エネルギー同化をカスタムフィット。印刷されたガラスフィラメントの組織は、最も高いエネルギーを摂取しました。

虫からインスピレーションを得た丸いクロスセグメント

不気味な這うようなエリトラからインスピレーションを得た3Dプリントチューブ。丸いクロスセグメントは、六角形の領域を強化する固さを拡大しました。標準的な六角形は、セル壁の厚さが異方性であるため、任意に配置された六角形の固さの約50%が得られました。

様々なレベルのハニカムサンドイッチボード

ポニーフット・インスパイアード・プラン

ポニーフット構造から着想を得たバイオインスパイア網ハニカムは、圧力下で試行錯誤。ハニカムの壁に丸い波と流れを加えることで、エネルギー同化が向上。さらに壁の厚みを拡大することで、トップパワーとエネルギー同化を拡大。

コブウェブ・プログレッシブ・システム

ハニカムに触発された様々なレベルドハニカムを試用した結果、標準的なハニカムよりも高い明示的エネルギー同化を示しました。第一の要求プログレッシブシステムは、中心部の厚みを減少させることなく、保持率62.1%、第二の要求82.4%をさらに発展させました。

ポメロ・ストリップのインスパイアード・オーダー

ザボンストリップの血管組織から着想を得た新しいプログレッシブ・ハニカムの中心部は、中心部の高密度化と斜面の多孔性により、面外圧力下で標準的なハニカムよりも1.5倍高い明示的エネルギー摂取量と水平圧力を示しました。

結論

この論文では、竹、木、馬の足、クモの巣、ザボンの千切りなど、さまざまな生物にヒントを得た網の透過性デザインを調査。それらの固有の特性は、暫定的かつ数学的に試みられたバイオミメティックな計画を促しました。段階的な計画は確実に特性を改善しました。細胞モデル、複合材料、サンドイッチ・ボードから得られたバイオ・インスパイアード・プランは、強度、固さ、エネルギー摂取がさらに向上しました。今後の研究では、計画を発展させ、多目的およびマルチスケールの合理化を適用して、異なる種や複雑さのレベルを調査することができます。追加された物質生産と組み合わせることで、バイオインスパイアードプランは、テーラーメイドの多機能軽量設計を生み出すことができます。

よくあるご質問

Q：バイオミミクリー／バイオインスパイアとは何ですか？

A: バイオミミクリー（生物模倣）、またはバイオ・インスピレーションとは、自然界で発見された計画やアイデアを、人間の問題に対処するために反映させる最も一般的な方法を指します。バイオミミクリーとは、生物学的な構造、サイクル、環境に注目し、新しい素材、ガジェット、デザインを生み出すことです。その目的は、通常のフレームワークで追跡された熟練性、柔軟性、支持性を、機械的なアレンジメントによって再現することです。

Q：バイオインスパイアされたデザインにはどのようなものがありますか？

A：チューブ、ハニカム、泡、断面など、さまざまな規則的なデザインが動機となります。竹の茎、骨、木目、昆虫の絹、蝶の羽などのモデルもあります。研究者たちは、ミニチュア／ナノスケールでこれらを研究し、その特性を把握し、人工的に計画を繰り返しています。

Q：どのような企業がバイオインスパイアード・プランを採用していますか？

A: 生物にインスパイアされたネットの計画は、航空、輸送、生物医学、エネルギー、保護などの分野に応用できます。例えば、航空電子工学における骨に触発された金属泡、自動車における木材のような複合材、捜索救助における地中の昆虫に触発された高度な力学などです。バイオミミクリーの支持できる利点は、同様にその利用を促進しています。

Q:どのような添加物製造戦略を利用していますか？

A: バイオインスパイアド・プランを3Dプリントする代表的な技術には、材料吐出、材料飛散、タンク重合、ファスナーストリーミング、パウダーベッドコンビネーションなどがあります。戦略は、材料、数学、および作成規模に依存します。マルチマテリアル・プリンティングやノンストップ・ファイバー・プリンティングも、複雑なバイオミメティック・プランに対応しています。