Data-driven Design of Isotropic and High-Stiffness TPMS-based Amorphousness-Induced Architected Material (TAAM)

あなたは、特殊な種類のフォーム（泡状の素材）を使って、超軽量かつ超強力な城を作っていると想像してください。何年もの間、エンジニアたちは、その城の壁を作るための特定のパターンであるTPMSを愛用してきました。これらのパターンは、完璧に滑らかなハニカム構造や、石鹸の泡に見られる複雑な形状のようなものだと考えてください。これらは、その軽さに対して驚異的な剛性を備えており、まるで重いハエを支えるクモの巣のようです。

しかし、問題があります。これらのハニカムの壁は、あまりにも完璧に左右対称で反復的であるため、「好みの方向」が存在します。上から押すと非常に強いですが、横から押すと少し簡単に潰れてしまうかもしれません。これは異方性（方向による剛性の違い）と呼ばれます。それは、積み重ねられたパンケーキのようなものです。押しつぶすのは簡単ですが、横に押すのは難しいのです。そのため、現実の世界で、衝突や体内での動きのように、あらゆる角度から力がかかる場合には扱いが難しいものとなります。

大きなアイデア：制御された混沌
この論文の研究者たちは、大胆な問いを投げかけました。「もし、意図的に完璧なパターンを壊したらどうなるだろうか？」

彼らは、単にランダムで無秩序なフォーム（通常は弱いもの）を作りたいわけではありませんでした。その代わりに、彼らはTAAM（TPMSに基づく非晶質誘起構造材料）と呼ばれる新しいタイプの材料を考案しました。これは、それらの完璧なハニカムの壁に「ダンスパーティー」をさせるようなものだと考えてください。彼らは各ハニカムセルをランダムに回転させ、その形状をわずかに微調整することで、いくらかの制御された無秩序を導入しました。

それは、整然と行進する兵士の列に対し、それぞれに回転したり、足を少し踏み鳴らしたりするように指示するようなものです。完璧なパレードの隊列は失われますが、より優れたものを手に入れます。つまり、グループ全体がどの方向に押されても等しく強くなるのです。彼らはこれを「設計可能な非晶質性」と呼んでいます。つまり、乱雑さをコントロールできるツールとして利用しているのです。

コンピューターゲーム：スイートスポットを見つける
どれくらいの「ダンス」を加えるのが最適かを見つけるために、チームは単に勘に頼ることはしませんでした。彼らはベイズ最適化を用いた非常にスマートなコンピューターシステムを構築しました。これは、AIがキャラクターの最適なビルドを見つけ出そうとしているビデオゲームのようなものです。AIには同時に2つの目標があります。一つは、構造をできるだけ硬くすること、もう一つは、あらゆる方向に対して等しく強いことにすることです。

AIは、2つの異なる戦略を用いて「推測と検証」のゲームを行いました。

1. PHVI: この戦略は、自分が良いと知っている領域に留まり、最大限のパフォーマンスを引き出そうとする、慎重な探検家のようなものです。
2. EHVI: この戦略は、隠された宝物を見つけられるかどうかを試すために、奇妙で新しい組み合わせを厭わない、好奇心旺盛な冒険者のようなものです。

コンピューターは、これら「踊る」構造体を数千回シミュレーションしました。その結果、この制御された無秩序を加えることで、従来の完璧なパターンよりもはるかにバランスの取れた設計ができることが示されました。AIは「パレート・フロント」を見つけ出しました。これは、単に「硬さを得ようとすればバランスを失い、バランスを取ろうとすれば硬さを失う」という、最適なトレードオフの関係にある地点を見つけたことを意味する専門的な表現です。

実世界でのテスト：印刷と圧縮
これがコンピューター上の夢ではないことを証明するために、チームはFDM方式の3DプリンターとPLAプラスチックを使用して、これらの構造体を実際に製作しました。彼らは、各辺が50mmの立方体をプリントしました。

彼らは、巨大な機械を用いて、毎分1%の歪み速度という低速でこれらの立方体を押しつぶすテストを行いました。彼らは、この「ダンス」が本当に等方的（あらゆる方向で均一）になるかどうかを確認するために、3つの異なる方向（上、横、正面）から立方体を押しました。

判明したこと
実験結果は、コンピューターのシミュレーションとほぼ完璧に一致しました。新しいTAAM設計は、従来の完璧に秩序だったTPMS構造よりも確かに高い等方性を備えており、同時に高い剛性も維持していました。

• 数値: 彼らは相対密度が約0.300（つまり、空間の30%をプラスチックが占め、残りは空気である状態）のデザインをテストしました。プリントされたバージョンは、方向によって0.279から0.333の範囲の密度となり、この値に非常に近い結果となりました。
• 材料: 彼らが使用したプラスチックのヤング率（弾性係数）は、引張時には1357 ± 14 MPa、圧縮時には1630 ± 21 MPaでした。
• 結果: 「踊る」構造体は、従来の「行進する」構造体に対して十分に通用することを証明しました。これにより、少しのランダム性を加えることが、予期せぬ角度から力が加わる状況において、材料をより信頼性の高いものにできることが証明されました。

行われなかったこと
この論文が「やっていないこと」についても記しておく必要があります。彼らは、材料科学のあらゆる問題を解決したと主張しているのではありません。彼らは、これらの材料を実際の人間や衝突する車の中でテストしたわけでもありません。また、彼らは「すべてのランダムな構造がより優れている」と言ったわけでもありません。彼らは、この特定の種類の「制御されたランダム性」が、硬さと等方性のバランスを取る上で、従来の完璧なパターンよりも優れていることを明確に示したのです。

テイクアウェイ（要点）
この研究は、時には、完璧な秩序よりも、少しの「組織化された混沌」の方が優れている可能性があることを示唆しています。コンピューターに、非常に計算された方法で「乱雑」な構造を設計させることで、彼らは保護具や医療用インプラントなどの用途に適した、新しいクラスの材料を生み出しました。これらは、力がどの方向から当たっても強さが求められる場所において、非常に有用です。これは、現実世界の環境と同じように、スマートで適応力の高い材料を作るための大きな一歩です。