Material science encompasses various branches, including metamaterials. Metamaterials are artificially designed structures that do not exist in nature, and their design necessitates computational science and geometric knowledge. They are closely linked to the macrostructure, lattice crystal, and shape of geometries. Nature itself provides geometric inspirations for wave manipulation mechanisms, found in exoskeletal insects, sea urchins, butterfly wings, plants, and more. This research delves into an in-depth exploration of biomimetic geometries in living organisms and the bioinspired computational design of tunable Schwarz primitive triply periodic minimal surface metamaterials. It also investigates their diverse utilizations in acoustics, spanning biomedical, non-medical biotechnology, biophilic design, and architecture. Schwarz metamaterial derivatives offer multiple bandgap for hierarchical sound wave control and bandgap design tailored for specific wave manipulation applications, facilitating more efficient sound blocking and wave manipulation. Then, data science and artificial intelligence are leveraged to comprehend sound wave mechanisms and propagation patterns over collected dataset. The research also highlights potential applications of biomimetic minimal surfaces in small structures, intelligent systems, adaptive meta-structures, and sustainable design. Finally, it addresses the limitations and manufacturing challenges of minimal surface metamaterials, while considering cost modeling and the mathematical principles governing the acoustic efficiency of minimal surface metamaterials from an engineering economy perspective.
재료 과학은 메타물질을 포함한 다양한 분야를 포괄합니다. 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 인위적으로 설계된 구조로, 그 설계에는 계산 과학과 기하학적 지식이 필요합니다. 메타물질은 거시 구조, 격자 결정, 기하학적 모양과 밀접한 관련이 있습니다. 자연은 외골격 곤충, 성게, 나비 날개, 식물 등에서 발견되는 파동 조작 메커니즘에 기하학적 영감을 제공합니다. 이 연구에서는 생물체의 생체 모방 기하학에 대한 심도 있는 탐구와 생물에서 영감을 받은 튜너블 슈바르츠 원시 삼주기 최소 표면 메타물질의 계산 설계에 대해 알아봅니다. 또한 생물의학, 비의료 생명공학, 생체 친화적 디자인 및 건축을 아우르는 생체 음향학에서의 다양한 응용 분야를 조사합니다. 슈바르츠 메타물질 유도체는 계층적 음파 제어를 위한 다중 밴드갭과 특정 파동 조작 애플리케이션에 맞춘 밴드갭 설계를 제공하여 보다 효율적인 사운드 차단 및 파동 조작을 용이하게 합니다. 그런 다음 데이터 과학과 인공 지능을 활용하여 수집된 데이터 세트에 대한 음파 메커니즘과 전파 패턴을 이해합니다. 이 연구는 또한 소형 구조물, 지능형 시스템, 적응형 메타 구조 및 지속 가능한 설계에서 생체 모방 최소 표면의 잠재적 응용 분야를 강조합니다. 마지막으로 엔지니어링 경제 관점에서 최소 표면 메타물질의 음향 효율을 좌우하는 수학적 원리와 비용 모델링을 고려하면서 최소 표면 메타물질의 한계와 제조 과제를 다룹니다.
