복잡한 재료의 구성 공정 단순화

과학자들은 독특한 기계적 특성을 지닌 많은 세포 메타물질 구조를 신속하게 설계할 수 있습니다.

메타물질은 구성 기본 물질과 다른 물질 특성을 유도하기 때문에 오랫동안 관심을 받아온 구조입니다. 메타물질은 조정 가능한 규정 준수, 키랄, 팽창 및 비가역적 동작과 같이 자연에서 찾을 수 없는 동작을 나타내는 경우가 많습니다.

주어진 메타물질의 거동은 주로 지정된 부피를 채우는 데 사용되는 고체 영역과 공극의 규칙적이거나 무작위적인 공간 배열인 셀룰러 아키텍처에 의해 제어됩니다. 그러나 어떤 세포 구조가 원하는 특성으로 이어질지 아는 것은 어렵습니다. 따라서 엔지니어는 가상적으로 가능한 모든 세포 메타물질 중 극히 일부만을 수동으로 탐색할 수 있습니다.

MIT와 오스트리아 과학 기술 연구소의 연구원들이 개발한 계산 방법을 사용하면 사용자가 작은 건물 구성 요소에서 메타물질 셀을 신속하게 설계한 다음 완성된 메타물질의 특성을 평가하는 것이 더 간단해집니다.

메타물질을 위한 특수 컴퓨터 지원 설계(CAD) 시스템과 유사한 그들의 방법을 통해 엔지니어는 매우 복잡한 메타물질도 신속하게 모델링하고 구성하는 데 며칠이 걸렸을 설계를 실험할 수 있습니다. 필요한 모든 건축 요소를 사용자가 사용할 수 있으므로 사용자 친화적인 인터페이스 덕분에 잠재적인 메타물질 형태의 전체 공간을 탐색할 수도 있습니다.

MIT 전기 공학 및 컴퓨터 과학 대학원생 Liane Makatura는 다음과 같이 말했습니다. "우리는 엔지니어들이 전통적으로 관심을 보인 다양한 모양을 모두 포괄할 수 있는 표현을 생각해냈습니다. 모든 모양을 동일한 방식으로 만들 수 있기 때문에 모양 사이를 더 많이 전환할 수 있습니다. 유동적으로.”

세포 메타물질을 개발하는 동안 과학자들은 일반적으로 잠재적인 디자인을 설명하는 표현을 선택하는 것부터 시작합니다. 이 선택에 따라 탐색에 사용할 수 있는 모양 세트가 결정됩니다.

그러나 이는 얇은 판이나 구와 같은 3D 구조와 같은 다른 요소를 기반으로 하는 메타물질을 탐색하는 것을 방해합니다. 이러한 형태는 다양한 표현을 통해 제공되지만 아직 모든 형태를 설명하는 데 사용할 수 있는 단일 접근 방식은 없습니다.

Makatura는 “특정 하위 공간을 미리 선택하면 탐색이 제한되고 직관에 따른 편향이 도입됩니다. 이는 유용할 수 있지만 직관은 부정확할 수 있으며 일부 다른 모양도 특정 응용 프로그램에 대해 탐색할 가치가 있을 수 있습니다."

과학자들은 한발 물러나 다양한 메타물질을 주의 깊게 관찰했습니다. 그들은 낮은 차원의 모양이 전체 구조를 구성하는 모양을 설명할 수 있다는 것을 알았습니다. 예를 들어, 빔을 선으로 축소하거나 얇은 껍질을 평평한 표면으로 축소할 수 있습니다.

그들은 또한 세포 메타물질이 종종 대칭을 포함하므로 전체 구조의 작은 부분만 표현해야 한다는 것을 관찰했습니다. 나머지는 첫 번째 구성요소를 회전하고 미러링하여 결합할 수 있습니다.

이 두 가지 관찰을 결합함으로써 과학자들은 세포 메타물질이 그래프 구조로 잘 표현될 수 있다는 아이디어를 내놓았습니다.

사용자는 정점과 모서리 구성 블록을 사용하는 그래프 기반 표현을 사용하여 메타물질 골격을 구성합니다. 예를 들어 보의 각 끝점에 꼭지점을 배치하고 이를 선으로 연결하여 보 구조를 구성합니다.

그런 다음 빔의 두께는 해당 선에 대한 함수를 사용하여 지정되며, 사용자는 빔의 서로 다른 부분이 서로 다른 두께를 갖도록 조정할 수 있습니다.

표면을 처리할 때도 비슷한 단계가 적용됩니다. 먼저 사용자는 표면의 나머지 부분을 추론하는 솔루션을 선택하기 전에 가장 중요한 특징의 정점을 표시합니다.

또한 사용자는 사용이 간편한 이러한 솔버를 사용하여 매우 복잡한 유형의 메타물질인 TPMS(3중 주기 최소 표면)를 신속하게 구축할 수 있습니다. 이러한 구조는 매우 강력하지만 일반적인 개발은 더 복잡하고 실수하기 쉽습니다.