[논문 리뷰] The benefits of structural disorder in natural cellular solids

Derek Aranguren van Egmond, Bosco Yu외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 09.

Marine and environmental studies인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 자연적이고 3D 프린팅된 다공성 재료에서 중간 수준의 구조적 무질서—무질서 매개변수(d = 0.6–0.8)로 정량화된 바에 따라, 동일 밀도의 완벽한 정 hexagonal 메쉬보다 균열 인성 30% 이상 향상됨을 입증한다. 바이어럴 테세레이션과 실험적 검증을 통해 저자들은 이 최적의 무질서가 균열 전파를 제한하고 손상 내성 가능성을 높이며, 이는 공통 진화와 경량이며 고장에 강한 아키텍처 재료 설계의 새로운 원칙을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자연 다공성 재료인 나무, 뼈, 산호와 같은 재료의 구조적 무질서를 체계적인 무질서 매개변수를 사용해 정량화하는 것.
• 다양한 수준의 무질서가 기계적 성능, 특히 균열 인성과 강도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 낮은 밀도를 유지하면서도 인성을 최대화하는 최적의 무질서 수준이 존재하는지 확인하는 것.
• 생물학적 재료에서의 구조적 무질서의 진화적 및 기능적 이점 탐구.
• 자연에서 관찰된 최적의 무질서를 모방하여 설계 원칙을 수립함으로써 공학적 아키텍처 재료를 설계하는 것.

제안 방법

• 생물학적 및 공학적 다공성 재료의 2차원 단면도에 바이어럴 테세레이션을 적용하여 세포 크기 변동성을 정량화하고, 0(매우 무질서함)에서 1.0(완벽한 정 hexagonal 메쉬) 사이의 무질서 매개변수(d)를 정의함.
• 제어된 무질서(d = 0.6에서 0.8)를 가진 3D 프린팅 복제체를 제작하여 기계적 성능을 실험적으로 검증함.
• 기계적 시험과 수치 시뮬레이션을 통해 다양한 무질서 수준에서의 균열 인성과 등가 강도를 평가함.
• 무질서 매개변수를 관찰된 기계적 거동과 연관시켜 손상 내성에 최적의 범위를 규명함.
• 생물학적 사례를 분석하여 자연적인 무질서 수준이 실험적으로 규명된 최적 범위와 얼마나 일치하는지 비교함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자연 다공성 재료인 나무, 다공성 뼈, 산호와 같은 재료에서의 구조적 무질서의 정량적 범위는 무엇인가요?
• RQ2 동일 밀도의 다공성 재료에서 구조적 무질서는 균열 인성과 강도에 어떻게 영향을 미치나요?
• RQ3 완벽하게 정렬된 구조보다 손상 내성 능력을 극대화하는 데 최적의 무질서 수준이 존재하는가요?
• RQ4 자연 생물학적 재료가 실험적으로 규명된 최적의 무질서 범위와 얼마나 일치하는가?
• RQ5 맞춤형 구조적 무질서를 3D 프린팅된 경량 아키텍처 재료의 성능 향상에 설계 원칙으로 활용할 수 있는가요?

주요 결과

• 무질서 매개변수 범위 d = 0.6에서 0.8 사이에서, 동일 밀도의 완벽한 정 hexagonal 메쉬(d = 1.0)에 비해 균열 인성이 30% 이상 향상됨을 발견함.
• 최적의 무질서 범위는 손상 분포를 통해 균열 전파를 제한하고 치명적인 실패를 방지하며, 외상 후 조직 복구 메커니즘을 가능하게 함.
• 자연 재료인 나무, 뼈, 산호는 실험적으로 최적 범위 내의 무질서 수준(d ≈ 0.6–0.8)을 보이며, 손상 내성에 대한 공통 진화적 기전을 시사함.
• 이 최적의 무질서를 가진 3D 프린팅 복제체는 완벽하게 정렬된 메쉬보다 인성과 강도에서 뛰어난 성능을 보였으며, 기계적 우수성을 확인함.
• 이 연구는 디지털로 제작된 경량이며 손상 내성 있는 아키텍처 재료 설계에 맞춤형 구조적 무질서를 새로운 설계 원칙으로 고려해야 한다고 확립함.