مهندسان با الهام از شبکه‌های موجود در طبیعت، «فرامواد» قوی‌تر و انعطاف‌پذیرتر طراحی می‌کنند | اخبار MIT
این تیم مواد خود را با استفاده از الگوریتمی طراحی می کند که یک شبکه بهینه از ریزساختارها را برای خاصیت ماده مورد نظر ایجاد می کند. از این روش می توان برای طراحی مواد الاستیک و ضربه گیر مانند کلاه ایمنی و ضربه گیر و همچنین لنزهای آکوستیک استفاده کرد – موادی که ریزساختار آنها به طور موثر صدا یا ارتعاش را متمرکز می کند.
کارلوس پورتلا، استادیار مهندسی مکانیک در MIT، نویسنده این مطالعه گفت: «این یک روش کاملاً جدید برای تفکر در مورد فرامواد است. “باز کردن قفل این طراحی شبکه برای مواد واقعاً ما را آزاد می کند تا به ریزساختارهای جدید و مزایای مکانیکی فکر کنیم که قبلاً ممکن نبود.”
نویسندگان مشترک این مطالعه از MIT عبارتند از اندرو ین جونگ چن، محمد چارارا و جینا وادوا، همراه با چابا بات، تینگ-تینگ گائو و آلبرت-لاسلو باراباسی از دانشگاه نورث ایسترن و نیک موی از دانشگاه اوترخت در هلند.
نگاه کردن به فراتر از خط
علم شبکه یک رشته مطالعاتی است که به مطالعه شبکه‌ها، گره‌ها و اتصالات پیچیده در یک شبکه و چگونگی ارتباط این عناصر با یکدیگر و به طور کلی شبکه می‌پردازد. علم شبکه برای نقشه‌برداری و مشخص کردن طیف وسیعی از سیستم‌ها، از شبکه‌های موجود در طبیعت، مانند شبکه‌های غذایی، درختان تکاملی، و ارتباطات عصبی گرفته تا بازارهای مالی، شبکه‌های سلولی و اجتماعی و اینترنت استفاده می‌شود.
Albert-László Barabási، یکی از نویسندگان مطالعه جدید، در خط مقدم علم شبکه قرار دارد. باراباسی، استاد فیزیک در دانشگاه نورث ایسترن، ساختار شبکه‌های پیچیده را در بسیاری از رشته‌ها مطالعه می‌کند و مطالعه می‌کند که در کجا یک شبکه می‌تواند آسیب‌پذیری‌ها را نشان دهد و چگونه می‌توان آن را قوی‌تر کرد.
بیشتر کارهای براباسی شامل شبکه های مفهومی یا شبکه هایی است که بر روی سیستم های موجود نگاشت می شوند. او اخیراً از خود پرسید: آیا می توان از علم شبکه برای ساخت یک ماده فیزیکی با خواص مطلوب خاص که در طبیعت امکان پذیر نیست، استفاده کرد؟
برای این منظور، باراباسی با پورتلا، که گروهش در MIT متخصص در فرامواد است، همکاری کرد. محققان در حال طراحی مواد از ابتدا با ریزساختارهای دقیق هستند که عملکرد کلی مواد را بهبود می بخشد. پورتلا مانند سایرین در این زمینه، فرامواد را از یک سلول واحد ساخته است و این بلوک ساختمانی را در الگوهایی مانند ساختارهای شبکه‌ای مربعی و معماری‌های لانه زنبوری تکرار می‌کند.
در بسیاری از موارد، Portela دریافته است که چنین الگوهای انباشته ای در واقع استحکام و دوام مواد را بهبود می بخشد. اما اگر این مواد سوراخ یا ترک بخورند، بقیه به سرعت تاب می‌خورند و از کار می‌افتند. او می گوید این به این دلیل است که ساختار داخلی یکسان است. اگر یک ناحیه از ماده تغییر شکل داده شود، سلول های واحد مشابه اطراف به همان روش واکنش نشان داده و تغییر شکل می دهند.
پورتلا می‌گوید: «ما سال‌ها صرف بررسی ریزساختارهای دوره‌ای و منظم کرده‌ایم و آموخته‌ایم که محدودیت‌ها و پاسخ‌های غیر ایده‌آل زیادی مانند این اثر محلی‌سازی وجود دارد. ما می‌خواستیم از این ایده رها شویم و از علم شبکه برای طراحی این مواد استفاده کنیم.»
خط به خط
این تیم الگوریتمی را برای ایجاد یک شبکه پرتویی با محدودیت‌های یک ماده فیزیکی توسعه دادند. هنگام استفاده از علم شبکه برای چیزی مانند اینترنت، محققان مجبور به در نظر گرفتن محدودیت‌های فیزیکی مانند محدود کردن تعداد، تراکم یا تقاطع پیوندها نبوده‌اند. در یک ماده فیزیکی، تعداد و ضخامت تیرها و فضای بین آنها شروع به اهمیت می کند.
برای طراحی یک مش فیزیکی، الگوریتم تیم با رسم نقطه ای در مختصات دلخواه در یک دامنه که اندازه ماده نهایی را نشان می دهد، شروع می شود. برنامه خطی را با زاویه دلخواه ترسیم می کند که از طریق نقطه امتداد یافته و از کل فضا عبور می کند. سپس برنامه فرآیند را با یک نقطه دوم، در یک مختصات دلخواه دوم، و یک خط کشیده شده از نقطه در زاویه دلخواه دیگر تکرار می کند، تا زمانی که این خط دوم به مرزی از کل دامنه یا خط اول ترسیم شده برسد. سپس این فرآیند بارها و بارها تکرار می‌شود و خطوط به تدریج کوتاه‌تر و نازک‌تر می‌شوند. ماده حاصل شبکه متراکمی از پرتوهای متقاطع با اندازه های مختلف است.
