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ハーバード大学、変形可能なメタマテリアル

February, 2, 2017, Cambridge--メタマテリアル(組成ではなく、構造で機能が決まる材料)は、光や音を曲げ、柔から硬への変換、地震波の抑制ができるように設計されてきた。これらの各機能は、固有の機械的構造を必要とする。それによってこれらの材料は特定の仕事をするが、広範に実装するのは難しい。
 材料が、その構造内に多機能をもっており、さらに多機能間を簡単に自律的に切り替えることができたらどうなるか。
 ハーバード大学(Harvard University)の研究チームは、再構成可能なメタマテリアルを設計するための一般的なフレームワークを開発した。デザイン戦略はスケールに依存しないこと、つまりメートルスケールのアーキテクチャから、フォトニッククリスタル、導波路、熱をガイドするメタマテリアルまでの再構成可能ナノ-スケールシステムに適用可能である。
 研究は2014年に始まった。Chuck HobermanがSEAS自然科学准教授Katia Bertoldiに折りたたみ構造の原設計を示した。これには、押し出しキューブのプロトタイプが含まれていた。「これらの単純な形状をビルディングブロックに使って新たな再構成可能なメタマテリアルを作製できることは分かったが、その達成のためのしっかりした設計戦略を確定するのに時間がかかった」とBertoldi氏はコメントしている。
 学際的なチームは、多面体の集合をテンプレートに使って押出再構成可能薄肉構造が設計できることを見出した、これにより設計プロセスは劇的に単純化された。
「デザインとコンピュータモデリングを組み合わせることで、多様な再構成の範囲を定め、将来このようなマテルアルを作製するための青写真、つまりDNAを作ることができた」とOvervelde氏は話している。
 同じコンピュータモデルを使ってあらゆる種類の方法を定量化することもできる。材料を曲げ、効果的な材料特性、剛性などにそれがどのように影響を与えるかを定量化できる。この方法は、100万程度の多様なデザインに素早くアクセスでき、望ましい反応のものを選択することができる。
 特定のデザインを選択すると、チームは、レーザ切断段ボールや両面テープ、およびマルチ材料3Dプリンティングを使って個々の3Dメタマテリアルの実用的なプロトタイプを作製した。
「デザインの定式化問題を解決したので、こうしたメタマテリアルをもっと小さなスケールで、例えば、3Dプリントされた自己作動で環境的に応答するプロトタイプを作製し再構成する新たな方法について考えを進めることができる」とWeaverは語っている。
 この定式化されたデザインフレームワークは、構造的な、航空宇宙エンジニア、材料科学者、物理学者、ロボットエンジニア、生物医療エンジニア、設計士や建築家にとって有用である。