요약:
캘리포니아대, 버클리대, 하버드대, 터키 이스탄불 폴리테크닉대 연구진이 심해 유리 해면 'Euplectella aspergillum'의 골격 구조를 바탕으로 내하력과 유체 성능을 고려한 메타물질 설계 방법을 개발했습니다. Nature Communications에 발표된 이 연구는 스펀지 자체를 복제하는 것이 아니라 가볍고 강력한 그리드 기하학을 계산적으로 최적화된 엔지니어링 구조로 변환하는 데 중점을 두고 있습니다.
비너스 바스켓의 프레임은 유리 같은 실리카로 만들어졌습니다. 세로 및 원주 프레임, 교차 대각선 버팀대 및 외부 나선형 패턴이 함께 복잡한 격자를 형성하여 심해 압력과 해류를 견디고 몸체를 통과하거나 몸체 주위로 물을 안내할 수 있습니다. 연구팀은 이 구조로부터 배우고 엔지니어링 설계의 일반적인 모순을 해결하기를 희망합니다. 재료는 가능한 한 가볍고 가능한 한 적은 재료를 사용하는 동시에 바람이나 물의 흐름으로 인한 저항과 진동을 줄일 수 있을 만큼 강해야 합니다.
이를 위해 팀은 유한 요소 분석을 사용하여 구조적 강도를 평가하고 전산 유체 역학을 사용하여 흐름을 시뮬레이션한 다음 다목적 베이지안 최적화 알고리즘을 사용하여 수백 개의 기하학적 솔루션을 자동으로 선별하고 조정했습니다. 최적화 목표에는 구조물의 임계 좌굴 하중을 늘리고 유체 항력, 양력 및 양력 변동을 줄이는 것이 포함됩니다. 후자는 와류 발산 및 그것이 유발하는 진동과 관련이 있습니다. 그런 다음 연구원들은 스테레오리소그래피를 사용하여 선택한 구조를 제작하고 압축 실험과 입자 이미지 속도계를 통해 시뮬레이션 결과를 검증했습니다.
실험에 따르면 다양한 재료 부피 비율에서 최적화된 그리드의 임계 좌굴 하중은 기본 설계에 비해 평균 약 140% 증가하는 동시에 항력, 양력 및 와류 발산을 줄이는 것으로 나타났습니다. 예를 들어, 버클리는 개구율이 약 5%에 불과한 거의 견고한 원통형 구조와 나선형 융기 부분도 구조적 안정성을 희생하지 않고 유체로 인한 진동을 크게 억제할 수 있다고 말했습니다. 연구원들은 이러한 개선이 형상 최적화에서 비롯된 것이며 재료의 양을 늘리지 않는다고 말했습니다. 관련 값은 실험 구조와 벤치마크 방식의 비교 결과이며, 모든 재료나 응용 분야가 동일하게 개선될 수 있다는 의미는 아닙니다.
팀은 이 방법이 항공기 부품, 해저 파이프라인 지지 구조, 신체의 유체 채널을 유지하는 데 도움이 되는 의료용 스텐트 등 경량, 내하중 및 유체 환경에 장기간 노출되어야 하는 구조물에 사용될 가능성이 있다고 믿습니다. 고층빌딩과 같이 바람의 영향을 받는 엔지니어링 시설에도 적합할 수 있습니다. 연구는 아직 설계 프레임워크 및 프로토타입 검증 단계에 있으며 실제 적용에는 다양한 재료, 규모, 하중 및 제조 방법에 대한 추가 테스트가 필요합니다.
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