自然を利用する：現代工学における生物学から着想を得たネットデザインの力

自然からの教訓を生かし、高度な素材や構造を創造する。 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する。

バイオ・インスパイアード・ネット：自然のデザインに学ぶ

本稿では、バイオミミクリー（生物模倣）とアスレチックギアを取り上げ、バイオミミクリー（生物模倣）とアスレチックギアについて考察する。次に、バイオミミクリーとアスレチックギアについて掘り下げ、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論じている。次のセクションでは、天然繊維複合材料、構造変換、エネルギー保持に焦点を当て、バイオインスパイアされた複合材料を探求する。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が移る。

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、ザボンの帯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る。最後に、結論として得られた知見を要約し、バイオインスパイアードネットデザインにおける将来の方向性を提案する。その後、バイオミミクリー、バイオインスパイアードデザインの種類、適用可能な産業、および積層造形技術に関連する主要な質問を取り上げたFAQセクションが続く。

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る。自然は何十億年もの間、進化を通じて計画を改良してきた。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ている。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、計算による表示と新しいプランの開発を通じて、自然から得ることに取り組んでいる。このアプローチは以下の分野に応用できる。 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、バイオインスパイアード・ネット・プランは、新しい優れた実行材料を促すことができる。

アスレチックギアのバイオミミクリー：スポーツパフォーマンスを向上させる自然から着想を得たイノベーション

昆虫シルク類似体

昆虫の絹は、おそらく自然界で最も地に足のついた生物に着想を得たネット素材だろう。鋼鉄と同等の剛性を示すが、より軽く、はるかに硬い。漠然としたタンパク質の骨格にガラス状の部分が埋め込まれた離散的な微細構造が、強度と適応性を与えている。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多い。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って、単調な負荷に耐える。また、運動用具の一次的な変形は、竹にヒントを得たチューブが斜面繊維の散布のために把持に強くなるように、頑丈さをさらに発展させる。

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った。通常の靭帯も同様に驚異的な強度を示した。 スポーツネットにもかかわらず、靭帯は力を伝えるために筋肉と骨を結びつけている。生物学に着想を得たネットの靭帯は、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た。

バイオインスパイアード・コンポジット

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、その特質を生かした。

一次変形

いくつかの生物に着想を得たネット材料は、機械的特性の傾斜によって圧力に耐える。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た。

エネルギー保持

バイオに着想を得た進歩的な複合材料が検討され、例えば、木材に着想を得たオーバーレイ・チューブが挙げられた。これらの覆われたミニチュア・チャンバーは、同程度の質量の均質な容器よりも40%高いエネルギーを保持した。アルミニウムの発泡チューブの下地の角のようなザボンの帯は、頑丈さを装い、エネルギー保持を1.5倍に拡大した。

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

コブウェブは、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た。その複雑なデザインは、計算による液体要素の再現と地形の流線形に触発された。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が、3Dプリンターによる異方性の安全計画を指示した 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した。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た。

虫にインスパイアされた丸いクロスセグメント

不気味な這うようなエリトラに触発され、3Dプリンターで作られたチューブは、六角形、三辺形、円形のクロスセグメントを持ち、お辞儀をしている。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のハニカムは、圧力下で試行錯誤を繰り返した。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した。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した。

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のハニカム試作品は、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た。第一の要求であるプログレッシブシステムはさらに62.1%を保持し、第二の要求である82.4%を保持し、中央の厚さは減少しなかった。

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について検討した。それらの固有の特性は、暫定的かつ数学的に試みられた生物模倣的な計画を促した。段階的な計画は確実に特性を向上させた。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た。今後の研究では、計画を発展させ、多目的および数学的手法を適用して、さまざまな種や複雑さのレベルを調査することができる。 マルチスケール合理化.さらに物質生産と組み合わせることで、バイオに着想を得た設計は、オーダーメイドの多機能軽量設計を生み出すことができる。

よくある質問