[論文レビュー] The benefits of structural disorder in natural cellular solids

Derek Aranguren van Egmond, Bosco Yu+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2021

Marine and environmental studies被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、自然および3Dプリンティングされた多孔質材料における構造的無秩序の程度を無秩序パラメータ（d = 0.6–0.8）で定量化することで、同等密度の完全に秩序整った六角形ハニカム構造と比較して、破壊靭性が30%以上向上することを示している。ボロノイタイルレーションと実験的検証を用いて、著者らはこの最適な無秩序性が亀裂の進行を制限し、損傷に耐性を示すことを明らかにした。これは、損傷に耐性のある軽量で信頼性の高いアーキテクチャドマテリアルの設計パラダイムとしての進化の一致を示唆している。

ABSTRACT

Structural cellular materials in nature, such as wood, trabecular bone, corals, and dentin combine complex biological functions with structural roles, such as skeletal support and impact protection1,2. They feature complex structural hierarchies from nano- to macroscale that enable optimization of both strength and toughness (flaw tolerance) simultaneously3-9. These hierarchies typically exhibit structural disorder in the arrangement of pores. The degree of disorder, however, has not been systematically quantified before, and its role in the mechanical performance of cellular biomaterials is generally unknown. Here we have applied Voronoi tessellations to quantify the cell size variation in 2D cross-sections of biological and engineered cellular materials, using a disorder parameter (d) ranging between 0 (highly disordered) to 1.0 (regular hexagonal honeycomb). We demonstrate that various plant, fungi, and animal cellular materials show characteristic ranges of disorder. Using 3D printed analogues and numerical methods, we demonstrate experimentally a range of pseudo-order (d=0.6 to 0.8) that exhibits a > 30% increase in fracture toughness (and equivalent strength) compared to hexagonal honeycombs (d=1.0) of equal density. Our results show this range of disorder is similar to that identified in the biological examples, which suggests convergent evolution. This optimal degree of structural disorder limits catastrophic failure, providing an evolutionary advantage for organism survival. Distributed structural damage limits cracks below a maximum threshold size and also enables tissue repair mechanisms after trauma. Our work shows that tailored disorder should be considered as a new design paradigm for digitally fabricated, lightweight architected materials to improve damage tolerance.

研究の動機と目的

• 自然の多孔質材料（木材、骨、珊瑚など）における構造的無秩序を体系的な無秩序パラメータを用いて定量化すること。
• 無秩序の程度を変化させた場合の機械的性能、特に破壊靭性と強度への影響を調査すること。
• 低密度を維持したまま靭性を最大化する最適な無秩序度が存在するかどうかを特定すること。
• 生物学的材料における構造的無秩序の進化的・機能的利点を検討すること。
• 自然界で観察された最適な無秩序を模倣することで、設計されたアーキテクチャドマテリアルの設計原則を確立すること。

提案手法

• 生物的およびエンジニアリングされた多孔質材料の2次元断面にボロノイタイルレーションを適用し、細胞サイズのばらつきを定量化し、0（非常に無秩序）から1.0（完全な六角形ハニカム）の範囲をとる無秩序パラメータ（d）を定義した。
• 制御された無秩序度（d = 0.6～0.8）を有する3Dプリンティングされた類似体を製作し、機械的性能を実験的に検証した。
• 機械的試験と数値シミュレーションを用いて、異なる無秩序度における破壊靭性および等価強度を評価した。
• 無秩序パラメータと観察された機械的挙動を関連付け、損傷耐性に最適な範囲を同定した。
• 生物学的例を分析し、自然に存在する無秩序度と実験的に同定された最適範囲を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 木材、トラベキュラー骨、珊瑚などの自然の多孔質材料における構造的無秩序の定量的範囲は何か？
• RQ2 同等密度の多孔質材料において、構造的無秩序は破壊靭性と強度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 完全に秩序整った構造を上回る損傷耐性を発揮する最適な無秩序度が存在するか？
• RQ4 自然の生物学的材料は、実験的に同定された最適範囲と一致する程度の無秩序度を示しているか？
• RQ5 設計された構造的無秩序を、3Dプリンティングされた軽量アーキテクチャドマテリアルの性能向上に応用できるか？

主な発見

• 無秩序パラメータd = 0.6～0.8の範囲では、同等密度の完全に秩序整った六角形ハニカム構造（d = 1.0）と比較して、破壊靭性が30%以上向上した。
• 最適な無秩序度は亀裂の進行を制限し、損傷を分散させ、破壊の急激な進行を防ぐことで、外傷後の組織修復機構を可能にする。
• 木材、骨、珊瑚などの自然材料は、実験的に同定された最適範囲（d ≈ 0.6～0.8）内の無秩序度を示しており、損傷耐性を高めるための進化的な一致が示唆される。
• この最適な無秩序度を持つ3Dプリンティング類似体は、完全に秩序整ったハニカム構造を上回る靭性と強度を示した。
• 本研究により、デジタルで製造可能な軽量かつ損傷耐性に優れたアーキテクチャドマテリアルの設計において、意図的な構造的無秩序を新たな設計パラダイムとして採用すべきであると確立された。