わざと不規則な構造にして衝撃吸収性能を高めたメタマテリアルをMITなどが開発

規則正しい内部構造は材料の強度を高めるのに役立ちますが、一部が破損すると周囲の同じ構造も連鎖的に変形し、材料全体が急速に崩壊するという問題があります。そこで研究チームは従来のメタマテリアルとは異なる「さまざまな大きさのセルが混在する不ぞろいな構造」に着目しました。

自然界には植物の葉脈やトンボの羽、クモの巣など、長さや太さの異なる要素が複雑につながった構造が存在します。例えば、トンボの羽を構成する翅脈の長さは0.1mmから約50mmまで幅広く分布しています。こうした構造の不均一性を人工材料に取り入れるべく、研究チームは「Scale-Rich(SR)メタマテリアル」と呼ばれる新たな設計手法を考案しました。

このSRメタマテリアルを設計するために研究チームはアルゴリズムを開発しました。この設計アルゴリズムでは材料の外形を示す領域内にランダムな点が設定され、その点を通る直線がランダムな角度で引かれます。続いて別の点から同じように引かれた直線は既存の直線もしくは領域の境界に達したところでストップします。この操作を繰り返しながら徐々に線を細くしていくことで、長さや太さの異なる無数の梁(はり)が互いにつながったネットワークが形成されるというわけです。

アルゴリズムは最初に引く線の太さとその後に追加する線の太さを減少させる割合という2つのパラメーターを調整するだけで、多種多様な内部構造を生成できます。シミュレーションの結果、材料の密度や剛性に加え、力を加える方向によって変形のしにくさが異なる「異方性」も幅広く調整できることが判明しました。

研究チームはアルゴリズムで生成した内部構造を基に、3Dプリンターを使って樹脂製のSRメタマテリアルを作製。格子構造やハニカム構造、不規則な多角形で構成されるボロノイ構造を持つメタマテリアルとともに、圧縮試験や重りを落下させる衝撃試験を実施しました。

圧縮試験では、格子構造やハニカム構造を持つ材料は特定の箇所に変形が集中し、内部構造が帯状につぶれていきました。一方、SRメタマテリアルでは長さや太さの異なる梁が混在しているため、一部の梁が変形しても周囲の梁が連鎖的に変形しにくく、損傷が材料全体に分散されました。

衝撃試験でもSRメタマテリアルは優れた性能を発揮し、比較対象となった3種類のメタマテリアルの中で単位質量当たりのエネルギー吸収量が最も大きく、衝撃時に発生する力の最大値も最も小さかったとのこと。

研究チームはさらに、厚い皮で果肉を守るかんきつ類のザボンにヒントを得て、外側ほど梁の密度が高くなるように設計したSRメタマテリアルを作製しました。内部に破損しやすいアクリル樹脂を埋め込んで圧縮試験を行ったほか、シミュレーションでは従来の構造と比較してアクリル樹脂にかかる応力を最大で約5分の1に抑えられることが示されています。

SRメタマテリアルの用途は衝撃吸収にとどまらず、内部構造を調整することで材料を伝わる振動の方向や速度も制御できます。研究チームは振動を特定の位置に集める音響レンズへの応用も実証しており、荷重の支持や衝撃の吸収、振動の制御といった複数の機能を兼ね備えた材料の開発につながると期待されています。