ญี่ปุ่นจับมือจีน สร้างวัสดุ “ปีกผีเสื้อ” โครงสร้างที่ใช้ต้านแผ่นดินไหว l TNN Tech

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยโทโฮคุประเทศญี่ปุ่น และมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีอู่ฮั่นประเทศจีน ร่วมกันพัฒนาโครงสร้างวัสดุรูปแบบใหม่ที่ได้แรงบันดาลใจจาก “ปีกผีเสื้อ” เพื่อสร้างอาคารต้านแผ่นดินไหวในอนาคต

แนวคิดใหม่ในการออกแบบโครงสร้างภายในวัสดุ

งานวิจัยฉบับนี้ถูกตีพิมพ์ในวารสาร International Journal of Mechanical Sciences ภายใต้ชื่อ “Anisotropic butterfly-inspired lattice structures for enhanced impact resistance” ซึ่งนำเสนอแนวคิดใหม่ในการออกแบบโครงสร้างภายในวัสดุ โดยอาศัยรูปแบบการกระจายแรงตามธรรมชาติของปีกผีเสื้อมาเป็นต้นแบบ

โดยแม้ปีกผีเสื้อจะมีน้ำหนักเบาและดูบอบบาง แต่ภายในกลับมีการจัดเรียงเส้นปีกที่ช่วยกระจายแรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้สามารถต้านแรงลมและแรงสั่นสะเทือนได้ดีกว่าที่เห็นภายนอก นักวิจัยจึงนำหลักการดังกล่าวมาพัฒนาเป็นโครงสร้างที่ชื่อว่า Butterfly-inspired Body-Centered Cubic หรือ BCCB topology  จนเกิดเป็นโครงสร้างน้ำหนักเบาแบบ Anisotropic ขึ้น

โครงสร้างน้ำหนักเบาแบบ Anisotropic  ถูกออกแบบมาเพื่อแก้ปัญหาโครงสร้างน้ำหนักเบาแบบเดิม ที่จะมีการกระจุกตัวของความเค้น ซึ่งเมื่อเกิดแรงกระแทกเกิดขึ้นในจุดที่เปราะบาง ความเสียหายอาจลุกลามจนทำให้โครงสร้างพังทลายลงทั้งหมดในทันที โดยเฉพาะในสถานการณ์ที่เกิดแรงกระแทกฉับพลัน เช่น อุบัติเหตุ การชน หรือแผ่นดินไหว

โดยโครงสร้างแบบ Anisotropic มีคุณสมบัติของวัสดุหรือโครงสร้างที่มีความแข็งแรงแตกต่างกันในแต่ละทิศทาง ตรงกันข้ามกับวัสดุแบบ Isotropic ที่มีคุณสมบัติเหมือนกันทุกด้าน

ตัวอย่างที่เข้าใจง่ายคือ “ไม้” หากผ่าตามแนวเสี้ยนจะหักได้ง่าย แต่หากตัดขวางแนวเสี้ยนจะใช้แรงมากกว่าเดิมหลายเท่า หลักการนี้ทำให้นักวิจัยสามารถออกแบบโครงสร้างที่ควบคุมทิศทางการกระจายแรงได้ดียิ่งขึ้น

เมื่อเกิดแรงกดหรือแรงกระแทก โครงสร้างแบบ Anisotropic จะค่อย ๆ เสียรูปอย่างควบคุมได้ แทนที่จะพังทลายทันที ความเค้นจะถูกส่งต่อและกระจายออกไปในหลายทิศทาง คล้ายกับรูปแบบการกางออกของปีกผีเสื้อ ช่วยลดความเสียหายเฉพาะจุดได้อย่างมีประสิทธิภาพ

จากการจำลองและการทดสอบเชิงกล นักวิจัยพบว่าโครงสร้างแบบ Anisotropic มีค่าความแข็งแรง ความสามารถในการดูดซับพลังงาน และความต้านทานแรงกระแทกสูงกว่าโครงสร้างน้ำหนักเบาแบบเดิม จุดเด่นสำคัญของโครงสร้างนี้คือความสามารถในการต้านแรงกระแทกแบบฉับพลัน ซึ่งเป็นปัญหาที่วัสดุน้ำหนักเบาทั่วไปยังรับมือได้ไม่ดีนัก