オリガミインスパイアド3Dプリンティングで新しいクラスのセラミックス構造

May, 12, 2025, Houston--古代のデザインと現代の材料科学を融合させた画期的な研究として、ヒューストン大学(University ofHouston)の研究者たちは、圧力がかかっても壊れることなく曲がることができる新しい種類のセラミック構造を開発した。

この技術の潜在的なアプリケーションは、医療用補綴物から、軽量で丈夫な材料の需要が高い航空宇宙やロボット工学の耐衝撃性コンポーネントまで多岐にわたる。

伝統的に脆いことで知られるセラミックスは、ストレスで粉々になることが多く、衝撃の強いアプリケーションや適応性の高い用途での使用が難しくなる。しかし、機械工学および航空宇宙工学助教授Maksud Rahmanとポスドク研究員のMd Shajedul Hoque Thakurが率いるハワイ大学の研究者チームが、折り紙に触発された形状に軟質ポリマコーティングを施すことで、壊れやすいセラミック材料を丈夫で柔軟な構造に変えることができることを示したため、状況はすぐに変わるかも知れない。チームの研究は最近、Advanced Composites and Hybrid Materialsに掲載された。
「セラミックスは非常に有用である。生体適合性があり、軽量で、適切な条件下で耐久性があるが、壊滅的に故障する。われわれの目標は、その失敗をより優雅で安全なものにすることだった」(Rahman)。

そのために、チームは三浦織折り紙パターン(紙のように何かを平らに折りたたむ方法)に基づいてセラミック構造を3Dプリントし、紙のようにスペースを取らずに全体的に平らに保つ方法であり、伸縮性のある生体適合性ポリマでコーティングした。

その結果、通常のセラミックスではできない応力を扱える構造が生まれる。異なる方向に圧縮すると、コーティングされた構造は曲がって回復したが、コーティングされていない構造はひび割れたり壊れたりした。

研究チームは、静的圧縮と周期圧縮の両方で構造をテストし、コンピュータシミュレーションで実験をバックアップした。コーティングされたバージョンは、特に元のセラミックが最も弱い方向で、一貫してより高い靭性を示した。

「折り紙は単なる芸術ではない。生物医学と工学の両方の分野での課題への取り組み方を再形成できる強力なデザインツールである。この研究は、折り畳みパターンが最も壊れやすい素材でも新しい機能を解き放つ方法を示している」とRahmanは、コメントしている。