(57)【要約】  技術的な軽量構造物の設計のために、先ず数値プロトタイプを作成し、最適化する。この目的のために、対象となるモデルを製作し、モデルのデータを取得し、数値プロトタイプに算入するか、又は直接数値プロトタイプを設計上の考慮及び方法を援用して作成する。どちらの場合も、プロトタイプについてのデータの取得は負担が大きく、通例、簡単に最適化可能な結果は得られない。簡単に最適化可能なプロトタイプの作製のための合理的なデータ獲得の方法を提供する課題は、本発明により、次のようにすることで解決される。すなわち、バイオミネラル化された単細胞生物の被殻構築体を、製作対象の軽量構造物に適合する１組の基準に従って自然界から選択し、それらの設計データを直接に取得する。その場合、下位構造物も選択できる。部分的に得た解決策を組み合わせて、データをプロトタイプにスケーリングし、プロトタイプは簡単な処置で最適化される。珪藻類又は放散虫類を事前選択することで、軽量構造リムのプロトタイプ、軽量構造素材、透過性軽量構造被殻を製作することができる。
2007512599.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
技術的軽量構造物用のプロトタイプ設計データを決定する方法であって、
（１）技術的問題設定に関連して、作製する技術的軽量構造物の関連基礎パラメータを得る段階と、
（２）得られた基礎パラメータに適合する自然の被殻構築体を有する１つ以上のバイオミネラル化された単細胞生物を事前選択する段階と、
（３）事前選択された被殻構築体の技術的実現に最も見込みある区域の１つ以上の微細構造物を選択する段階と、
（４）選択した微細構造物の設計データを直接取得する段階と、
（５）取得した設計データを、作製する軽量構造物の基礎パラメータにスケーリングする段階と、
（６）スケーリングした設計データを、作製する軽量構造物のプロトタイプ用の１組のプロトタイプ・データに組み合わせ、かつ適合させる段階と、
（７）プロトタイプを最適化する段階と
を含む技術的軽量構造物用のプロトタイプ設計データを決定する方法。
【請求項２】
技術的軽量構造物とバイオミネラル化された単細胞生物の被殻構築体との共通の記述特性を、アスペクト及びアスペクト値の組織的集積としてデータバンクにファイルする段階を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
バイオミネラル化された単細胞生物の個々の構造構成要素、より大きい下位構造物、全被殻構築体の、既知の特性によって特徴付けられた階層関係を、組織的な集積としてデータバンクにファイルする請求項１又は請求項２に記載の方法。
【請求項４】
選択した微細構造物又は下位構造物の設計データを、少なくとも半自動式の顕微鏡走査により直接取得する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記直接取得した設計データを、組織的な集積としてデータバンクにファイルする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
設計データのスケーリング、組み合わせ、適合のための基準と、プロトタイプと、プロトタイプ最適化の結果とを、組織的な集積としてデータバンクにファイルする請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
技術的軽量構造物用のプロトタイプ設計データを決定する方法の使用、特に請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の方法の、軽量構造リムのプロトタイプを作製するための使用において、
バイオミネラル化された単細胞生物として、珪藻類ジアトマ属の群からアラクノイディスクス又はコスキノディスクスを事前選択することを特徴とする技術的軽量構造物用のプロトタイプ設計データを決定する方法の使用。
【請求項８】
技術的軽量構造物用のプロトタイプ設計データを決定する方法の使用、特に請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の方法の、軽量構造材料のプロトタイプを作製するための使用において、
バイオミネラル化された単細胞生物として、放散虫の群からファエオダリエンを事前選択することを特徴とする技術的軽量構造物用のプロトタイプ設計データを決定する方法の使用。
【請求項９】
技術的軽量構造物用のプロトタイプ設計データを決定する方法、それも特に請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の方法により製作された自動車用軽量構造リム（ＬＦ）のプロトタイプであって、片側を車軸に固定可能な内側リム体（ＦＫ）と、該リム体と結合された外側リムベース（ＦＢ）とを有し、前記リム体（ＦＫ）が支持スポーク構造物（ＦＫ）を有しているプロトタイプにおいて、
幅対奥行きのアスペクト比が高い値を有する複数のリブ状半径方向スポーク（ＲＡＳ）と複数の同心的なリブ状環状スポーク（ＲＩＳ）とから成るスポーク構造物（ＳＡ）が高度の対称性を有し、かつ、若干の半径方向スポーク（ＲＡＳ）が、各々リムベース（ＦＢ）からリム体（ＦＢ）の三分の一にわたってだけ延び、環状スポーク（ＲＩＳ）のところで終わっていることを特徴とする自動車用軽量構造リム（ＬＦ）のプロトタイプ。
【請求項１０】
前記環状スポーク（ＲＩＳ）が半径方向スポーク（ＲＡＳ）のアスペクト比より小さいアスペクト比を有し、かつ、環状スポーク（ＲＩＳ）が半径方向スポーク（ＲＡＳ）と前側が完全に又はほとんど整合していることを特徴とする請求項９に記載のプロトタイプ。
【請求項１１】
１６個の半径方向スポーク（ＲＡＳ）と６個の環状スポーク（ＲＩＳ）とが設けられ、かつ、半径方向スポーク（ＲＡＳ）が１つおきにリムベース（ＦＢ）から第２環状スポーク（ＲＩＳ）までしか延びていないことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のプロトタイプ。
【請求項１２】
リムベース（ＦＢ）の側の半径方向スポーク（ＲＡＳ）の間に、丸みをつけた区域（ＡＢ）が設けられていることを特徴とする請求項９から請求項１１までのいずれか１項に記載のプロトタイプ。
【請求項１３】
リム体（ＦＫ）の車軸への取り付け区域に同心的な円板（ＫＰ）を有し、該円板のところで半径方向スポーク（ＲＡＳ）が終わっていることを特徴とする請求項９から請求項１２までのいずれか１項に記載のプロトタイプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、技術的に軽量な構造のためのプロトタイプ設計データを決定する方法と、プロトタイプの製造方法の使用と、該方法により製造されるプロトタイプとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自然界のモデルを技術（工学）分野に応用することは以前から知られており、人間が先ず考えることである。進化の過程で、自然は種の永続的な生存競争における最善の戦略は何かという問いに対する解答として、極端にエネルギー節約的な設計や方法を自然淘汰により作り出してきた。この解答は別の動機からにせよ、多くの技術に適用するのにも適しており、望ましいものと思われる。しかし、この自然のモデルを技術に転換する作業が大抵は失敗する問題点は、生物システムを直接所望の技術システムに適用しようとすることにある。しかし、こうした転換の基礎には、一方では、使用する自然の材料及びその性質を含む生態システムの形態学的構造の精密研究が不可欠であり、他方では、それらのシステムの目的、すなわち観察対象であるシステムの自然環境内での全体的な関連について、正確な知識を得ることが必要である。生物学的および技術（工学）的観点からのそうした包括的な解明がなされて初めて、設計者には、生物学的作用メカニズムを考慮に入れた技術システムの構築が可能になる。生物学的構造及び方法を組織的に技術の世界に転換する科学は、一般に生体工学（Ｂｉｏｎｉｋ）又は生体模擬工学（Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｋ）と呼ばれている。
【０００３】
この種の工学の原則の説明やその時々の技術水準を記述した刊行物が多数存在する。刊行物Ｉ（ヴェルナー・ナハティガル（Ｗｅｒｎｅｒ  Ｎａｃｈｔｉｇａｌｌ）著「自然モデル−機能構築体のための生体工学設計（Ｖｏｒｂｉｌｄ  Ｎａｔｕｒ  ｆｕｎｋｔｉｏｎｅｌｌｅｓ  Ｇｅｓｔａｌｔｅｎ）」１９９７年、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ出版社）には、自然の構造設計の原理が記載されている。それによれは、自然は個々の主要な特性を最大限備えた構成要素を加算したものから構成されているのではなく、必要な特性のすべてが統合された最適システムで構成されている（Ｉ，Ｐ２１以下）。自然界では、栄養摂取によって得られるエネルギー・システムと、一方では防御／逃避のための、他方では繁殖のためのエネルギー消費とが対立している。エネルギーが効率的に使用できればそれだけ生き延びるチャンスも増大する。軽量の、しかも安定的な構成形式や、極めて様々な環境条件への細部にわたる適応の形式はその結果であり、技術にとって利用可能な大きな設計貯蔵庫となっている。生体工学的設計の周知の例として役立つのはロータス効果（Ｌｏｔｕｓ−Ｅｆｆｅｋｔ）である（Ｉ，Ｐ４３−４４）。
【０００４】
その場合、微細な粗さが一定に配分された表面、例えば葉の表面は、汚れの粒子や水滴の付着をきわめて効果的に阻止する。すなわち、水滴は面状に付着することなく表面張力によって粗さの尖端上を転がり、その際、同じように粗さの尖端上にだけ載っている汚れを巻き込んで連行する。この付着阻止能力によって植物は効果的に自己洗浄し、生き延びるのに重要な高レベルの収量の光を確保する。この自己洗浄効果は、工学技術による表面でも、植物の葉を模した別の材料で被覆することによって同じように達せられる。これによって光の収量を維持するために、例えば太陽電池の洗浄費用が低減されるだけでなく、家屋の前面や窓ガラス等の洗浄費用も低減される。動物界からの一連の別の例も存在する。例えば鯨の皮膚の流体力学的特性や汚染防止特性の利用、並びに蛇の皮膚の方向依存性の摩擦発生の利用である。しかし、前記刊行物（Ｉ，Ｐ１２７−１３０）において、これらの類似器官の技術への転換に必要なモデル形成が、原理−ゼロモデル−最終デザイン（図６７）では、詳細には説明されていない。
【０００５】
刊行物ＩＩ（クラウス・マテック（Ｃｌａｕｓ  Ｍａｔｔｈｅｃｋ）著「自然界の設計−樹木は教師である（Ｄｅｓｉｇｎ  ｉｎ  ｄｅｒ  Ｎａｔｕｒ−Ｄｅｒ  Ｂａｕｍ  ａｌｓ  Ｌｅｈｒｍｅｉｓｔｅｒ）」１９９７年、Ｒｏｍｂａｃｈ  Ｏｋｏｌｏｇｉｅ出版社）には、樹木の適応成長の例として、生物の自己最適化のメカニズム、すなわちエネルギー使用の最適化のメカニズムが扱われている。成長過程での生存条件の絶えざる変化によって、樹木の幹は、風、太陽、土壌の状態等による様々な緊張状態にさらされる。樹木の遺伝的な素質には、危険な場所と安全な場所とで太さの成長を異にすることによって、不都合な緊張配分に抵抗する能力が与えられている。樹木の場合常に、時間的手段で幹の全表面上に一定の緊張ないし応力が作用するようになっている。こうした事情は、自然界の他の機械的に高い荷重を受ける構成要素、例えば骨、歯、鉤爪等にも当てはまる。基礎にある原則、すなわち一定の応力の公理は、生物・技術設計の基礎と見なすことができる。ここでも、また自然界でのエネルギー最適化設計が、すなわち予定された使用目的に必要な力を導入する場合に、無応力区域を除くことにより構成要素重量を最小化することが、エコロジー的かつ経済的に最適化された技術構造物に対するモデルの機能を果たすことが明らかになる。
【０００６】
最も妥当な従来技術として本発明が前提としたエコロジー的な設計（ＩＩ，Ｐ６３、６４）への転換のための処置形式を説明するに当たって、適用可能な方法及びそれらの方法の協働を簡単に示す。技術上の課題設定で先ず提供されるのは、製造される技術的設計構造物の関連基礎パラメータである。その場合問題になるのは、例えば構成部品のおおよその寸法（限界寸法）、作用する外的な荷重、周辺条件（支持体、案内等）である。工学により、例えば数値的な必要手段である有限要素法（ＦＥＭ）を用いて、技術構造物に発生する応力、伸び、変形の値が得られる。その場合、いわゆるソフト・キル・オプション（ＳＫＯ；Ｓｏｆｔ  Ｋｉｌｌ  Ｏｐｔｉｏｎ）によって、重要でない設計領域は無用のものとして除外される。したがって予め最適化された軽量構造設計提案はプロトタイプとして利用できるが、このプロトタイプにはまだ問題領域が残されている。
【０００７】
これらの領域は、いわゆるコンピュータ援用最適化（ＣＡＯ）の手法を用いて設計を更に収縮かつ変更することで後処理し、反復最適化処理を行うことで、最終的に疲れ強さのある軽量構造物の設計が作成できる。その場合、最適化処理の範囲は直接にプロトタイプの品質に依存する。プロトタイプが完成最終構造物に近ければ近いだけ最適化費用は低減される。しかし、転換可能なのは、総じて比較的単純な構造物のみであり、自然界のモデルに従ったデータに基づくプロトタイプの作製が既に、従来技術では時間のかかる転換処理及び計算処理を必要とする。その場合、従来の解決手段は極めて簡単なプロトタイプを用いることだけであった。しかし、これではプロトタイプとの偏差が極めて大きいため、計算の手間が最終設計での最適化に持ち越されるだけである。
【０００８】
刊行物ＩＩＩ（ハム、メルケル、シュプリンガー、ユルコイス、マイアー、プレヒテル、スメタチェック（Ｈａｍｍ、Ｍｅｒｋｅｌ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、Ｊｕｒｋｏｊｓ、Ｍａｉｅｒ、Ｐｒｅｃｈｔｅｌ、Ｓｍｅｔａｃｅｋ）共著「珪藻類の被殻の構成及び材料特性は効果的な機械的防御手段を提供する（Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｍａｔａｒｉａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｄｉａｔｏｍ  ｓｈｅｌｌｓ  ｐｒｏｖｉｄｅ  ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ」ネイチャー誌第４２１巻、２００３年２月号、Ｐ８４１−８４３）では、珪藻（珪素の藻；Ｋｉｅｓｅｌａｌｇｅｎ）の特殊で多様な構造が保護組織として研究されている。機械工学分野での設計又は建築物の機械的、美的な創造の場合の、特に機械荷重を受ける軽量構造物に関しては、バイオミネラル化した被殻構造物を有する単細胞生物、この場合は、特に珪藻類（ジアトマ属、植物プランクトン）及びフェオダリエン（Ｐｈａｅｏｄａｒｉｅｎ）（放散虫、動物プランクトン）が決定的なモデルの役割を演じることができる。そこには極めて多様な構造物が存在し、それら構造物の主要な役割は、食物の競合相手及び天敵による機械的な負荷や破壊に対する防御にあると同時に、体重の最小化、すなわちエネルギー使用の最適化にある。
【０００９】
約６００００種の珪藻類は、２つの目で知られているが、これらは被殻の幾何形状に基づいて、中心目（ｃｅｎｔｒａｌｅｓ）と羽状目（ｐｅｎｎｌｅｓ，アーチ形）に区別される。珪藻類の骨格状の支持構は、珪素酸、すなわち珪素の酸素酸ＳｉＯ２・ｎＨ２Ｏで形成されている。珪素酸は、水の割合に応じて、オルト珪酸、オルトジ珪酸、メタ珪酸に区別される。水を除去すれば、無水珪酸ＳｉＯ２が残る。珪藻類は、最小の材料で最大の安定性を達成しており、したがって現代の軽量構造設計と同じ目標を達成している。背景として、更に珪藻類に関する若干のデータが付されたインターネット刊行物ＩＶ（「極美の珪藻類：安定設計の範例（Ｗｕｎｄｅｒｓｃｈｏｎｅ  Ｋｉｅｓｅｌａｌｇｅｎ：Ｍｕｓｔｅｒ  ｆｕｒ  ｓｔａｂｉｌｅ  Ｋｏｎｓｔｒｕｋｔｉｏｎｅｎ）」アルフレート・ヴェーゲナー極地及び海洋研究所（Ａｌｆｒｅｄ−Ｗｅｇｅｎｅｒ−Ｉｎｓｔｉｔｕｔ  ｆｕｒ  Ｐｏｌａｒ−  ｕｎｄ  Ｍｅｅｒｅｓｆｏｒｓｃｈｕｎｇ）、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｗｉ−ｂｒｅｍｅｒｈａｖｅｎ．ｄｅ／ＡＷＩ／Ｐｒｅｓｓｅ／ＰＭ／０３０２１９ｄｉａｔｏｍｅｅｎ−ｄ．ｈｔｍｌ）と、インターネット刊行物Ｖ（「海中のアール・ヌーヴォー（Ｊｕｇｅｎｄｓｔｉｌ  ｉｍ  Ｍｅｅｒ）」ユーリヒ研究センター（Ｆｏｒｓｃｈｕｎｇｓｚｅｎｔｒｕｍ）、ｈｔｔｐ：／／ｆｚ−ｊｕｅｌｉｃｈ．ｄｅ／ｐｏｒｔａｌ／ｉｎｄｅｘ．ｐｈｐ？ｊａｈｒ＝２００３＆ｉｎｄｅｘ＝２８１＆ｃｍｄ＝ｓｈｏｗ＆ｍｉｄ＝１２５）が挙げられ、後者には、バイオミネラル化された単細胞生物の機械的強度に関するガラス針による標準試験の写真が付されている。
【００１０】
古典的設計では、始めに、製造される構造物の技術的要求仕様に出来るだけ近い図面が作成される。そのためには当該技術分野に精通した設計者が必要である。設計された構造物は、引き続きプロトタイプとして適当な製造方法で製造され試験される。その構造物が要求仕様を満足している場合、すなわち目標応力サイクル数及び／又は耐用寿命が可能なだけの負荷に耐えられ、しかも機能を損なうような変化がなかった場合に、実際に製造され、必要であれば量産される。そうでない場合には臨界的な箇所が補強される。過大寸法箇所の縮小は、それらの箇所が大抵は未知なので、この場合には行わない。より進歩した設計過程では、ＦＥＭモデルを製作し、要求された応力状況下でコンピュータによる試験を行い、必要であれば修正することで構造物が最適化される。しかし、この場合にも、決まって行われるのは補強による応力低減だけである。この方法は、全般的な、すなわちエコロジー的、エネルギー論的意味での最適化の役には立たず、試行錯誤段階を避ける目的を追求することで開発時間が最適化されるだけである。
【００１１】
加えて古典的な設計理論ではこれまで、複数構成要素から成るシステム全体を最適化することはほとんど行われてこなかった。既述の刊行物Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩから明らかになったことは、しかし、エネルギー論的に最適化された構造物、特に軽量構造物を開発することが、一般の関心とならねばならないということである。従来の方法でこの目的を達成するには、計算時間及び計算能力に高い出費と労力を投じることなしには不可能である。要するに、機械的に高い負荷の可能な構造物のエコロジー的な開発への１つの決定的な措置は、プロトタイプの作製であることが認められる。このプロトタイプが、要求される条件に近づけば近づくだけ、合理的に作成可能なエネルギー論的に最適な設計への適応及び最適化が簡単になる。しかしこうしたことは、一人の設計者にとってはせいぜい、それぞれ極めて限られた専門分野で、個別の構成部品又はきわめて簡単なシステムの場合にしか可能ではない。極めて異なる分野での複雑な構造物の高い精度のプロトタイプは、したがって製作できない。
【００１２】
独国特許出願公開第１００５３２９９号明細書（「構成部品の設計方法及びワイパー装置構成部品」）には、例えば機械部品の設計のための処置が、コンピュータを援用した方法で示されている。この方法の段階には、対象のモデル設計（設計室モデル）、有限要素法によるモデルの記述、データモデル作製用の３Ｄプログラムの使用が包含されている。更に、トポロジー及び形状の最適化、すなわち形式最適化のための方法段階が挙げられている。この出願は、プロトタイプのためのデータ獲得が、いかに高額の出費を要するかを示す手本のようなものである。対象のモデルを作製し、次いで図面、すなわち今日ではしばしばデータモデルを作成するか、又は逆に、まず図面を作成し、次いで必要であればコンピュータを援用して対象のモデルを作製し、引き続き数値の最適化を適用する方法が多数の変形形式で使用されるが、取得したプロトタイプ・データを改善する手掛かりは与えられない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
既出の刊行物は、適当なプロトタイプを作製する合理的な方法は挙げておらず、その方法を援用しても、エネルギー論的に特に有利な軽量構造物に必要な最適化作業を最小化することはできない。生体工学によって始められたアナロジー研究の枠内での自然界の構築物や構築方法の技術・生物学的調査の直接の処置についてはここでは触れない。その説明は、それを目的としている生物学者及び技術者の学際的チームに任せることにする。その場合、選択される方法は、調査の対象並びに関係者の技術的可能性に左右される。ここでは多くの異なる要求に適応する一般化された方法は紹介しない。したがって本発明の課題は、技術的な軽量構造物のプロトタイプ・データを作成する方法、それも、特に合理的で、しかも信頼の置ける方法を提供することである。提供される方法は、時間的にも経済的にも出来るだけ効率的にプロトタイプ・データを利用可能にし、それらのデータを用いて、製造される軽量構造物に対する技術的要求に十分に近似するプロトタイプを製造可能にするものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題は、次の段階を含む本発明の方法によって解決される。
１．技術的問題設定に関連して、製作する技術的軽量構造物の重要な基礎パラメータを得る段階、
２．得られた基礎パラメータに合致する自然的な被殻構築体を有する１つ以上のバイオミネラル化された単細胞生物を事前選択する段階、
３．事前選択した被殻構築体の、技術的に最も実現の見込みある区域の１つ以上の微細構造物を選択する段階、
４．選択した微細構造物の設計データを直接に取得する段階、
５．取得した設計データを、製作する技術的軽量構造物の基礎パラメータに対してスケーリングする段階、
６．製作する技術的軽量構造物のプロトタイプ用の１組のプロトタイプ・データに、スケーリングされた設計データを組み合わせ、適合させる段階、
７．プロトタイプを最適化する段階。
【００１５】
設定した課題の解決のために、自然界からは、豊かな形態、機能、方法が、進化によって得られた経験を伴って提供されている。バイオミネラル化された単細胞生物の被殻構築体は、その場合、技術的に重要な変化形の特に豊かな基礎を提供している。科学的生体工学の創始者の一人であるヴェルナー・ナハティガルによれば、自然界は、技術的に直接使用できるモデルを提供しているわけではない。むしろ、自然界の構造物の生物学的、技術的研究により、観察した有機体が示している解決方法に対する理解を得て、次に、その理解を技術的問題に応用する必要があるという。本発明による方法はこの原則を受け入れ、多数の可能な有機体の中から、大きい群であるがその基本性格を狭く限定した群のみを選び出し、同じように狭く限定した範囲で調査を行う方式を確立した。本発明の方法にはその方式を一般化した複数の処理形式も含まれている。これによってモデルの予備が用意され、この予備は、直接は利用できないが、処方箋式に使用される方法によって合理的に適用することが出来る。
【００１６】
製作する軽量構造物に対する要求が既知の場合、先ず所望の特性を定義する。この特性により、適当なバイオミネラル化された単細胞生物を事前選択する。この選択に基づき、別の所望の特性を有する下位構造物及び個々の構造物要素を選択する。これらのものの設計データを直接検出し、種々の要素を組み合わせ、境界域を適応させる。こうして得た統合された構造物は、工学の一般規則にしたがって要求寸法にスケーリングされ、プロトタイプのためのデータが簡単に得られる。このためプロトタイプ・データの厄介な計算は不要になり、計算時間や計算容量は著しく低減される。次いで適用される最適化方法により、所望の技術的軽量構造物に仕上げられる。特に好ましいのは、標準化された検出方法による少なくとも半自動式の設計データ取得である。同じく好ましいのは、数値式処理方法を用いて、一方では、バイオミネラル化した単細胞生物、該生物の被殻構築体、該構築体設計データの各データの組を、他方では、スケーリング、組み合わせ、適合の各方法、プロトタイプ、プロトタイプ最適化の結果についての各データの組を記憶、選択することである。
【００１７】
本発明の方法及びその好ましい継続形成の細部は、詳細な説明の部分で明らかにされる。
以下で本発明の全範囲を略示図で詳細に説明することにで、更に理解が深められよう。
【実施例】
【００１８】
図１のブロック図に示した方法段階１について、目標の技術軽量構造物の特性を、技術的な問題設定に関連して詳しく説明する。その基礎として、技術軽量構造物とバイオミネラル化された単細胞生物の被殻構築体との共通の記述的特性を、複数のアスペクト及びアスペクト値の組織的集積としてデータバンクに記憶させておくことができる。その場合、諸特性の記述には、情報技術的な観点から勧められるアスペクト・カタログが使用され、カタログの要素は明確に定義された値をとることができる。アスペクト・カタログが包括的に作成されていて、考察される全問題領域がそれによってカバー出来ればそれだけ、その時々の技術的問題が詳細に記述できる。アスペクト・カタログは、頻繁に使用する過程で十分に手を加え、次第に精密な要求に応えられるものにすることができる。この技術軽量構造物のプロトタイプ・データを確定する場合、重要な役割を演じるのは、とりわけ設計を動かしてよい余地の制限及び構造物の静荷重と動荷重との制限であり、構成部品間の重量関係に関する設定値、美的観点が、重要な役割を演じる。
【００１９】
類似の課題の解決の場合に期待できるのは、既に使用された下位構造物を改めて使用できることである。プロトタイプ製作の際に一度得られたデータは複数下位構造物が連続的に構築され、組み合わされて階層構造を維持している場合には再使用ができて経済的である。このようにして、必要に応じて大小の、階層構造で高い位置にある複数下位構造物を任意に組み合わせてプロトタイプの作製を加速できる。方法段階２では、技術的問題の精密な定義に基づいて適切な値で満たされアスペクトの組を用いて、これらの基準に従って分類可能な自然被殻構築体の微細構造物量から適切な部分量（サブセット）を知ることができる。
【００２０】
そのためには、既知の特性を特徴とする、個々の構造物要素、より大きい下位構造物、被殻構築体全体の階層構造のファイルが、データバンク内で組織化された集積として役立つことが好ましい。この方法段階２では、先ずアスペクトの基本量が事前選択される。所望の特性に適合するアスペクト値がない場合、又は適合するアスペクトが利用できない場合は、残りの基準に従って選択した自然被殻構築体の部分量を、以後の考量段階に利用する。ここで、存在するアスペクトの範囲の拡張を可能にするために、又は提出された部分問題を記述する新たなアスペクトの値の確定を可能にするために、どのように方法を定義できるかが決定される。
【００２１】
方法段階３では、適切な微細構造物の検索が精密化される。そのために、アスペクトの部分量の限定により、又は特定アスペクトの値の範囲の更なる限定により、多数の基本的に適切な被殻構築体の中から特に適切と見られる被殻構築体、下位構造物、構造物要素が確定される。技術的な機械構造に生じる基本問題、例えば所望の技術軽量構造物の問題区域での応力状態に対するバイオミネラル化された単細胞生物の、ここでの考察対象である被殻構築体の分野からの解決策は、アスペクトの記述により、常時、再使用可能な部分解決策のカタログとしてデータバンクにファイルできる。個々の構造物要素、より大きい下位構造物、それらの組み合わせは、階層的にアスペクト化され、同じように再使用のため、データバンクにファイルされる。方法段階１−３に示した方法論により、出来るだけ精密かつ包括的な現有データの問題点のアスペクト化に基づいて、迅速に適切な部分解決に至ることができる。その場合、選択した部分解決の付属設計データも利用できる。
【００２２】
方法段階４では、現有データから十分に精密な部分解決策を決定できない場合には、この段階までに確定された上位構造物に、必要であれば、完全な被殻構築体に標準化された点検方法を適用して機械的な基本特性を確定せねばならない。そのために、最も基本的には、新しいバイオミネラル化単細胞生物を自然界の現有の中から発見してカタログ化するか、又は既にカタログ化されたものの適合性と設計データとを点検せねばならない。被殻構築体の微細構造物の設計データを得ることは時間を食う作業である。本発明による方法では、選択した微細構造物又は下位構造物の設計データを、少なくとも半自動式の顕微鏡走査によって直接受け取ることができるのが有利である。被殻構造物の寸法は、下位構造物の最下位の階層レベルの場合の数ナノメートルから完全な被殻の場合の１ミリメートル余までの範囲にある。高解像度の画像の場合は、したがって種々の電子顕微鏡による撮影方法が問題になる。
【００２３】
３次元の構造データを得るには、様々な角度からの複数の撮影、又は相応の立体的な撮影システムが必要である。相互の撮影角度の関係が分かれば、計算プログラムがデジタル化された顕微鏡ピクセル画像をベクトルに変換し、それと共にスケーリング可能なデータを所望のプロトタイプ形成の方向で更に加工するために提供できる。３Ｄ構造物モデルは、顕微鏡的被殻構造物の個々の層を写し出すレーザ共焦点顕微鏡を使用することで可能になる。それらのモデルから、計算プログラムによって原構造物の立体的な複数画像が再構成され、プロトタイプ形成のためのスケーリング可能なデータを提供できる。その場合も、直接受け取った設計データを組織化された集積としてデータバンクにファイルしておけば再度役に立つ。手間をかけて得たデータを再使用することは当然のことである。なぜなら、繰り返される類似の問題の解決には繰り返し同じ又は類似の下位構造物を利用することができるからである。加えて、応力試験、例えばガラス針試験（刊行物ＩＩＩ，ＩＶ，Ｖ参照）によって、被殻構造物の機械的な負荷容量が解明される。
【００２４】
方法段階５では、得られたデータが、作製される技術軽量構造物の大きさの関係にスケーリングされる。静荷重又は準静荷重の負荷状態の場合にはそのような単純な外挿（推定）が許される。主に強い動荷重が加わる部分の場合、それらの部分の関係は、準静荷重の仮定又は被殻構築体断片との直接の類比によって近似的に把握はできないので、必要であれば、別のスケーリング方法を適用せねばならない。方法段階６では、すべての下位構造物を所望の技術軽量構造物にまとめて接続箇所を滑らかにする。その結果がプロトタイプのデータとなり、当該プロトタイプは自然のモデルの適切なスペクトルに極めて密接に依存し、それにより所望の軽量構造物設計に極めて近いものとなる。この場合も、設計データのスケーリング、組み合わせ、及び適合の各基準と、プロトタイプと、その最適化成績とを、組織化された集積としてデータバンクにファイルするのが好ましい。
方法段階７では、最後にプロトタイプが最適化され、完成した機械的システムにされる。そのために、様々な最適化の方法、例えば刊行物ＩＩに既に紹介されているＳＫＯ法及びＣＡＯ法が使用できる。
【００２５】
実施例１：  軽量構造リム用のプロトタイプの決定
（１）軽量構造リム形式の技術軽量構造物を製作するための基礎パラメータの用意
要求された軽量構造物は、内側リム体と、これに結合された外側リムベースとから成る車輪であり、この場合、リム体は固定具を介して車両の車軸と結合され、リムベースはタイヤと結合されている。一般には、これらの部材の総体が「リム」と呼ばれる。更に、このリムは異方性材料特性を有する繊維強化プラスチック製である。
【００２６】
この場合、軽量構造リムは重量低減が望ましい。なぜなら、リムは非弾発性質量体として、タイヤが良好な接地性を維持しかつ凹凸のある走路上でも効果的に走路に密着できるには、できるだけ軽量でなければならないからである。したがって好適な幾何形状の選択に影響を与える特性を有する材料を得ることが特別な課題となる。リムベースと固定具とは規格化されているので、改良は、とりわけリム体の区域で達せられねばならない。追加要求として、ディスクブレーキの効果的冷却を可能にするために、この区域で良好な通気性を達成せねばならない。
【００２７】
（２）適切な自然の被殻構築体を有するバイオミネラル化された単細胞生物の事前選択
生物の軽量構造の被殻を有する有機体（特にプランクトンの、バイオミネラル化された単細胞生物）から珪藻類の群を選択した。なぜなら、この群を代表する種の被殻幾何形状（図２参照）は、軽量構造車輪の生体工学的な改良のための基本的な前提を満たしており、要するに、既に比較的平らで車輪状だからである。しかし、極めて多数の対応属、例えばタラシオシラ、ポロシラ、コスキノディスクス（Ｔｈａｌａｓｓｉｏｓｉｒａ，Ｐｏｒｏｓｉｒａ，Ｃｏｓｃｉｎｏｄｉｓｃｕｓ）は、ここでの問題設定の解決策としては問題外である。なぜなら、これらの属は抽出可能な構造要素を有していないからである。これに対し、特に好適な幾何形状として、中心珪藻類、例えばそれぞれ放射相称の補強構造要素を含んでいるアステロランプラ（Ａｓｔｅｒｏｌａｍｐｒａ）（図３の左図参照）、アステロムファルス（Ａｓｔｅｒｏｍｐｆａｌｕｓ）（図３の中央の２つの図参照）、アラクノイディスクス（Ａｒａｃｈｎｏｉｄｉｓｃｕｓ）（図３の右図参照）が選択される。珪藻類は、自然界で様々な負荷にさらされており、それらの負荷は、多様な点でタイヤのリムが受ける負荷に類似している。
【００２８】
加えて、構成物質（ケイ酸塩）の供給が限られ、かつ構造を効率的（迅速かつ少ないエネルギー消費で）に作り出す必要があるため、軽量構造へ向わせる淘汰の圧力が存在する。被殻を軽量に構成するように強いられるのは、加えて、珪藻類のプランクトン的な（浮遊性）生存形式のためでもある。約２億年の進化による適応過程で、珪藻類はその被殻を超軽量の防御構造物として形成してきた。そのことが極めて高度に発達した、部分的に複雑な軽量構造を生み出したのである。ＦＥ計算で明らかになったように、珪藻類の被殻は異方性材料から成り、それによって最小の材料使用で最大の強度が達成されている。
【００２９】
珪藻類は、単細胞有機体として、大抵は１ミリメートル未満の大きさである。技術分野への転用の利点は、被殻の形態がスケーリング可能なことである。言い換えると、その形態はスケールアップでき、しかも比強度を維持できる。なぜなら材料断面及び面荷重の双方が長さの尺度の平方でスケーリングできるからである。珪藻類の形態は特殊ではあるが、異様でも奇抜でもなく、逆に極めて調和的で美的である。珪藻類の形態は均衡が取れているためにリム構造としては新形式であるにも拘わらず、われわれ視習慣に抵抗を感じさせない。そのことは、軽量構造リムのような高品質の量産製品の場合、購買者に受け入れられる重要な前提である。
【００３０】
この属／種のジアトマ（Ｄｉａｔｏｍｅｅｎ）のすべての被殻構造に興味ある解決の手がかりが見られはするが、アステロランプラより好ましい転換可能性を有しているのがアラクノイディスクスである。なぜなら、アステロランプラの場合に支配的なアンダーカット（アンダーリーマ）が、軽量構造リムの場合、後半の生産工程では許されないからである。アステロムファルス属は、半径方向に波形を有する被殻を備え、被殻には、もっぱら極めて微細な孔が貫通している。構造物が透過性であることが要求されるため、この解決策は問題外である。繊維強化したプラスチックの異方性材料特性を考慮しても、アラクノイディスクスの構造要素は好都合である。なぜならこの種の自然構造物に予想される応力推移は、実質的には、生産過程で主として生じる繊維の延びに適合するからである（製造されるリブの高いアスペクト比、すなわち幅対奥行きの比）。この場合、極めて細いスポーク状部材が折れ曲がる恐れがあるが、この問題には、僅かな間隔で同心的な環状部材で対処できる。図４の左図は、アラクノイディスクスのＳＥＭ写真を、中央はＣＡＤモデルを、右図はＦＥモデルを示している。決定方法のこの段階では、構造物の中央区域と縁部区域とが、まだ微細な藻の幾何形状に合わされおり、加えて構造物は、まだ微細な孔を有する充填材で閉じられている。
適切な自然被殻構築体を有するバイオミネラル化された単細胞生物を方法段階２により事前選択する作業の一部では、微小機械的な試験の実施により機械的特性が把握される。既にこの微小機械的試験は、例えば中心珪藻類（タラシオシラ及びコスキノディスクス）に対して実施済みである。この試験は、ガラス針を珪藻類の被殻に圧力を高めながら被殻が破れるまで押し付けるものだが、この試験によって珪藻類被殻の概して好ましい機械特性を証明することができた。３０−１３０μｍの大きさのタラシオシラの場合の例えば３００μＮの破断力は、１平方メートルまでスケールアップされた軽量構造物設計の場合、数百トンの荷重負荷能力に相応する。
【００３１】
（３）事前選択された被殻構築体の最も実現の見込みある区域の微細構造物の選択
アラクノイディスクスの全体構造物からは、弁の内部構造物が選択されたが、小室（極小の孔を有する蜂の巣状構造物）は選択されなかった。なぜなら、ブレーキディスクの効果的冷却には、リム体の内側と外側間の効率的な空気交換が行われる必要があるからである、骨組み状の内部構造物は、アラクノイディスクスの場合、半径方向の同心的構成要素から成り、これら構成要素のアスペクト比（リブの幅対奥行き比）が極めて高い。
【００３２】
（４）選択された微細構造物の設計データの直接取得
被殻構造物の設計データは、直接光学顕微鏡及び走査電子顕微鏡写真から得られ、ＣＡＤプログラム及びＦＥプログラムを援用して３Ｄモデルに変換される。
【００３３】
（５）取得したデータの軽量構造リム基本パラメータへのスケーリング
このスケーリングは、実質的に原モデル（アルキノイディスクス）に基づいて行ったが、その場合、製造にとって有意味な若干の簡単化を行った。例えばアンダーカットは除去し、構造物を完全な放射相称として把握した。
【００３４】
（６）スケーリングされたデータの、軽量構造リム用の１組のプロトタイプ・データへの組み合わせ及び適合
半径方向構成要素と同心的構成要素とは、ホイール固定部の規格化された区域並びにリムフランジ（リムベース前側のビード）及びリムベースと一緒にまとめられて研磨される。この結果得られたプロトタイプは、既知の特性を有する実際の軽量構造リムと比較計算ができるように寸法付けされる。副次的な観点として、ここに提示した方法で作製されたプロトタイプの設計も、軽量構造リムの１：１のプロトタイプを立体リソグラフィにより製造し最適化することによって評価される。アラクノイディスクスのトポロジーに基づいて軽量構造の幾何形状を統合した軽量構造リムの完成プロトタイプの様々な図が、以下で更に示されよう。
【００３５】
（７）軽量構造リムのプロトタイプの最適化
引き続き、軽量構造リムに関連する特殊な荷重の場合が、予め定めた負荷プログラムを用いて適用され、ＦＥプログラム及び最適化ソフトウェアを用いて、軽量構造リムに要求される性能特徴にプロトタイプを最終的に適合させることができる。
【００３６】
（軽量構造リム用プロトタイプの具体的な実施形式）
以上に説明した方法によって、極めて効率的に軽量構造リムのプロトタイプを直接アラクノイディスクスの具体的な外観から作り出すことができる。その場合、自動車用の軽量構造リムは、片側が車軸に固定可能な内側リム体から成り、内側リム体と結合した外側リムベースを有している。このリム体は、特定の実施形式の場合、支持スポーク構造物を有している。
【００３７】
紹介した方法によって構想された軽量構造リムのプロトタイプは、高度に対称的な、特に精巧な細工の構造を特徴とし、しかも僅かな材料で製作可能であるにも拘わらず、高い網状結合度によって、特にスポークには座屈に抗する高い強度が保証されている。スポーク構造物では、半径方向スポークと環状スポークとが区別される。この場合、スポークは、リブ状に形成されているため、プロトタイプ前側から見た場合に僅かな空間しか占めておらず、プロトタイプに従って製造される軽量構造リムの背方に位置するディスクブレーキへの最適通風が可能になる。半径方向リムは、リブの幅対奥行きのアスペクト比が高い。リブの形態はしたがって細いが、奥行きすなわち高さがあり、これによって既に第１の強度アスペクトが得られる。第２の強度アスペクトは、半径方向スポークに環状スポークが交差し重複することで、あらゆるスポークが互いに支持し合うようになっていることで得られている。
【００３８】
スポークの数に依存して生じるプロトタイプ全体の印象は、選択したリブの幾何形状によって決まる網目模様の方眼紙形式によって極めて対称的なものになっている。この網目模様の特徴は、特に、すべての半径方向スポークがリム軸まで延びているのではなく、数本の半径方向スポークは、それぞれリム体の三分の一にわたってだけリムベースから延びている点にある。これらの半径方向スポークは、共に外側環状スポークの１つのところで終わっている。半径方向スポークを対称的に、例えば２つおきに配置するこの措置により、後に軽量構造リムを製造する際に更にリム重量が低減され、しかも軽量構造リムの強度が損なわれることがない。このスポーク構造物の外観は快い印象を与え、しかも不安を喚起することがない。
【００３９】
このスポーク構造は、半径方向スポークと環状スポークとが同等の場合に、完全に対称的となることができる。しかし、プロトタイプの一実施形式では、半径方向スポークのアスペクト比より環状スポークのアスペクト比が小さいことを特徴とすることもでき、その場合、環状スポークは、半径方向スポークと前側が整合又はほとんど整合するようにする。このため隙間が支配的なスポーク構造となり、この構造は、特に半径方向スポークの座屈に対して高い半径方向強度を有し、しかも周方向にも十分な支持が与えられる。この場合、より平らな環状スポークをリム体の前側に配置して、環状スポークが半径方向スポークと整合又はほとんど整合して延び、背方へずれて配置されないようにすれば、見た眼の全体的な印象は損なわれない。アラクノイディスクスの具体的な外観から直接に作り出された軽量構造リムのプロトタイプは、１６個の半径方向スポークと６個の環状スポークとが特徴だが、その場合、半径方向スポークは１つおきにリムベースから２番目の環状スポークまで延びているだけである。この設計構造は、理論的かつ実際的な研究により特に好ましい軽量構造リムの一実施形式として明らかになったものである。
【００４０】
プロトタイプの別の変更態様は、リムベースの側で半径方向スポークの間の区域が丸くされ、かつ半径方向スポークが終わるリム体の車軸固定部区域には同心的な円板が設けられている点が特徴である。これらの変更態様は更なる強度増大に役立ち、例えば負荷シミュレーション・プログラムによって決定できる。加えて、これらの変更態様により見た眼の全体的印象が改善され、プロトタイプに従って製造された軽量構造リムの取扱い易さが改善される。中間区域を丸くすることにより後に清掃がし易くなり、同心的な円板により組み付けが改善される。
【００４１】
図５には、内側リム体ＦＫと、内側リム体に結合された外側リムベースＦＢとを有する自動車用軽量構造リムのプロトタイプＥＭが示されている。実際の軽量構造リムの場合にはリムベースＦＢ上に工場でタイヤが取り付けられる。リム体ＦＫは中心穴ＺＢを有し、リム体は、中心穴を介して一方の側から車軸にはめ込まれ、数個のホイールボルトによりボルト穴ＢＯを介して固定される。リム体ＦＫは支持スポーク構造物ＳＡを有している。スポーク構造物ＳＡは、高度に対称的であるのが特徴で、多数の半径方向スポークＲＡＳ及び環状スポークＲＩＳから成っている。これら双方のスポーク形式は長方形リブとして構成され、比較的細いが長く、かつ奥行きがある。リブ形式の半径方向スポークＲＡＳは、特に高いアスペクト比を有している。半径方向スポークは極めて細く構成され、かつ後の運行の場合に十分な軽量構造リムの強度及び安定性が得られるような奥行きを有している。
【００４２】
半径方向スポークＲＡＳの奥行きは、例えばリムベースＦＢの幅の六分の一程度にすることができる。半径方向スポークＲＡＳは、同心的な数個の環状スポークＲＩＳと交差している。環状スポークＲＡＳは周方向に閉じられており、半径方向に互いに一定間隔をおいて配置されている。選択されたこの実施例では１６個の半径方向スポークＲＡＳが６個の環状スポークと交差している。これにより高い安定性を有する、目の小さい格子が出来上がっている。環状スポークは半径方向スポークＲＡＳより小さいアスペクト比を有し、主に半径方向スポークの突っ張りとして役立っている。プロトタイプＥＭの前側から見て統一的な像を得るために、環状スポークＲＩＳはリムベースＦＢの前側に位置し、半径方向スポークＲＡＳと前側が整合している。
【００４３】
主荷重は半径方向スポークＲＡＳが支持する。しかし、その場合、すべての半径方向スポークＲＡＳが中心穴ＺＢまで達している必要はない。最大の補強はリムベースＦＢの区域でなされていれば十分であり、したがって選択された実施例では、１つおきの半径方向スポークＲＡＳがリムベースＦＢから２番目の環状スポークＲＩＳまで延びているだけである。これによって付加的に更に極めて対称的なリムの印象が与えられる。リムは更に、リムベースＦＢの側で半径方向スポークＲＡＳの間の丸くされた部分ＡＢによって支持されている。更に、リム体ＦＫの車軸固定区域には同心的な円板ＫＰが備えられ、半径方向スポークＲＡＳが円板で終わり、円板により格子が調和的に閉じられている。同心的な円板ＫＰはホイールボルト用の穴ＢＯを有し、軽量構造リムＬＦの、荷重を受ける車軸区域の高い安定性を保証している。
【００４４】
図６及び図７は、図５のプロトタイプＥＭの実施例を背方と側方から見た図であり、それぞれ一部分がカットされている。符号は図５の場合と同じ部分を示している。図６で分かることは、半径方向スポークＲＡＳと環状スポークＲＩＳとがリムベースＦＢの前側にだけ配置されていることである。また環状スポークＲＩＳに比して、半径方向スポークＲＡＳが、より高いアスペクト比を有していることも分かる。図８からは、リムベースＦＢの安定的な特徴と環状スポークＲＩＳのリブ状の特徴とが明瞭に認められる。
【００４５】
実施例２：軽量構造素材用のプロトタイプの決定
（１）軽量構造素材の形式で製作される技術的軽量構造物の基礎パラメータの用意
要求される軽量構造素材は、完全に又は大部分が閉じられた被殻であり、この被殻は、高度の可撓性を備え、かつまた高い形状記憶能を有していなければならない。これらの特性は、必要であれば一定の浸透性と結合できなければならない。この種の構造物はさまざまな形で自動車工業や航空・宇宙産業で使用することができよう。その幾何形状は普通に行われている製造方法又は容易に開発できる製造方法によって実現できるものでなければならない。この実施例の場合、例えば金属フォウムや中空球の製造方法等の、特に軽量構造物の新しい製造方法を使用すべきである。
【００４６】
（２）適切な自然の被殻構築体を有するバイオミネラル化された単細胞生物の事前選択
生物の軽量構造被殻を有する有機体（特にプランクトンのバイオミネラル化単細胞）から放散虫の群、特にフェオダリエン（Ｐｈａｅｏｄａｒｉｅｎ）の亜族が選択される。なぜなら、この群は、軽量構造物の生体工学的改良の基礎的前提を満たす被殻幾何形状を有する種が代表的だからである。珪藻類又は同じく放散虫に属するナセラリエン（Ｎａｓｓｅｌａｒｉｅｎ）等の単細胞生物は、ここでの問題設定の解決策としては問題にならない。なぜなら、極めて開放的な構築体を必要とするからである。図８は、大部分が閉鎖された種々のフェオダリエンの被殻の走査・透過電子顕微鏡写真であるが、これらは軽量構造素材用のプロトタイプ作製には不適である。
これに対し、特に好適の幾何形状としては、チャレンゲロン（Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｒｏｎ）等の種が挙げられる。なぜなら、これらの種は閉鎖された被殻と微細孔を有する被殻との両方を有しているからである。製造技術的観点から定めた基準（既に開発した製造方法の使用）は、頑丈な被覆層間の中空体とフォウム（泡）との組み合わせによって満たすことができる。図９は、「頑丈な層の間の中空球とフォウム」の原則に従って選択した被殻構造を示している。目に付くのは、中空球の大部分が特殊な構造によって頑丈な被殻内に固定されていることである。他の有機体群も被殻構造に興味ある解決の手がかりを有してはいるが、それらの群は大抵、ここでの問題設定には適していない。
多くの生物の外骨格には棘状の突起が備わっていて、純防御的な保護機能を補完しているが、そうしたことは大抵、技術的な構造物にとっては望ましくない。フェオダリエンは、これに対して十分に滑らかな被殻を有しており、この被殻は、例えば車体部材にも適しており、受動的な防御形態を提供している。フェオダリエンの構造は透過可能な点でも興味を引く。しかしこの透過性のため、従来の構造物の場合、同じ機械的強度を得るためにしばしば著しく構造を強化して、弱い箇所が発生するのを防止せねばならなかった。フェオダリエンの場合に実現されている種々の幾何形状は、それらの区域に応力ピークが生じないように構成されている。
微小機械的な試験（「ニードル試験」、既述の記載参照）は、南極のフェオダリエン（チャレンゲロン）について行った。これらの試験で既に単細胞生物の被殻の概して好ましい機械特性が立証でき、特に、これらの実験で高度の可撓性／疑似弾性及び形状記憶が示唆された。これらの特性は、極めて高い確率で材料（ケイ酸塩）特性によってのみならず、とりわけμｍ域での特有の構造によっても惹起されるので、構成の原則を技術的被殻へ他の材料から転用することができる。
【００４７】
（３）事前選択した被殻構築体の最も実現の見込みある区域の微細構造物の選択
フェオダリエンの全体構造から内部構造を精密に分析する。この場合、目に付くのは、中空球の間に位置するフォウム状材料の構成要素が主として示す方向によって、純等方性フォウムの場合より高い強度が達せられる点である（図９参照）。図１０は、フェオダリエンの被殻の内部構造の詳細を示したものである。図１０では、左図及び真中の図に一部が分離した被殻が示され、個別中空要素が固定的に結合されていないことが示されている。フォウムのマトリクスが完全に欠けていることが、フォウム要素と中空要素との間には明らかな材料特有の相違があることを示唆している。加えて、中空要素の外側で穴の周囲が補強されているのが分かる。図１０右図には、ＴＥＭ断面が示されている。中空球の存在により、フォウム・マトリクス内にトポロジーの異方性が生じている。
【００４８】
（４）選択された微細構造物の設計データの直接取得
これらのデータは、直接に光学顕微鏡及び走査電子顕微鏡写真から得られ、ＣＡＤ及びＦＥプログラムにより３Ｄモデルに変換される。図１１の上図は、第１プロトタイプを、面的及び線的な像であるマトリクス内の中空球の初期形式で示したものである。この３Ｄモデルから出発して種々の変化形が開発され、ＦＥ分析によって種々の物理学的な特性が試験される。
【００４９】
（５）軽量構造物材料の基礎パラメータへの取得データのスケーリング
このスケーリングは、実質的に原モデルを基礎として行われるが、これは被殻に対する特定の相似法則によって可能になる。
【００５０】
（６）スケーリングしたデータを軽量構造物素材の１組のプロトタイプ・データに編集する作業
この編集では、プロトタイプと、場合によっては量産可能な生産方法とを得るための生産技術の可能性が検証される。
【００５１】
（７）プロトタイプの最適化作業
引き続いて、軽量構造リムにとって重要な、特定の負荷の場合が、予め決められた荷重プログラムを用いて適用され、ＦＥプログラムと最適化ソフトウェアを用いて軽量構造物リムの要求性能特徴にプロトタイプを最終的に適合させる作業が行われる。
【００５２】
実施例３：透過性軽量構造被殻のプロトタイプの決定
（１）透過性軽量構造被殻の形式の技術的軽量構造物を作製する基礎パラメータの用意
要求される軽量構造物は極めて軽量で気体透過性の、しかし局所的にも全体的にも構造が安定的な被殻であり、この被殻は、この場合、コンピュータ・ハウジングに合うように作製される。コンピュータ・ハウジング、特にラップトップのハウジング用に要求される基本特性は、高い強度、軽量、低い騒音発生度、十分な冷却が保証される高い空気透過性の組み合わせである。特に、新プロセッサ及びグラフィクチップのクロック周波数の増加と、それに関連したエネルギー変換の増加によってコンピュータの熱発生は広く問題になっている。前記特性が特に極端に必要とされるのはラップトップの場合だが、その場合、過熱する危険があるためクロック周波数が調整される。なぜなら、通気システムを使用しても、多量のエネルギーが必要なため、使用が大幅に制限され、また使用すれば騒音レベルが著しく高くなるからである。幾何形状は、普通の製造方法、又は容易に開発できる製造方法によって実現できなければならない。この実施例では、特に軽量構造の構成方法には、新しい方法、例えば中空球の使用等を考慮すべきである。
【００５３】
（２）適切な自然の被殻構築体を有するバイオミネラル化された単細胞生物の事前選択
生物の軽量構造被殻（特にプランクトンのバイオミネラル化された単細胞）を有する有機体から、珪藻類の群、特に、いわゆる「小孔を有する網目状組織」（蜂の巣状被殻構造物で、しばしばフラクタルな微細孔構造を有するもの）を選択した。図１２に、走査・透過電子顕微鏡によるコスキノディスクス・ワイレシ（Ｃｏｓｃｉｎｏｄｉｓｕｋｕｓ  ｗａｉｌｅｓｉｉ）のフラクタルな構成の微細孔の写真である。微細孔の大きさは、８００ｎｍ，１５ｎｍ，３０ｎｍである。珪藻類の被殻は、特定の淘汰圧力に基づいて、安定性、軽量、透過性に対する要求を精密に満たさねばならない。この場合主として行われるのは、熱交換ではなく、同じ原則に従う栄養素と物質代謝生成物の交換である。被殻外側の最小の微細孔は、走査電子顕微鏡でも見えないことがしばしばあり、要するに極小だが、拡散抵抗が著しく高まることがあってはならない。
特に好適な幾何形状としては、コスキノディスクス等の種の幾何形状が挙げられる。なぜならこれらの被殻は、極めて小さく規則的な、ほとんど大きさの変わらない微細孔を有しているからである。生物学的なモデルにしたがって階層的に形成された微細孔構造物をコンピュータ・ハウジングの全表面に（必要であればキーボードにも）使用することで効果的な熱交換が保証できる。製造技術的観点で設けられた基準（既に開発された生産方法の使用）は、種々の大きさの中空体を組み合わせることで満たすことができる。
微小機械的な試験（「ニードル試験」、既述の記載参照）を中心珪藻類のジアトマ属（コスキノディスクス及びタラシオシラ）について行った。これらの試験によって被殻の概して望ましい特性が立証され、特に高度の強度が示唆された。これらの特性はμｍ域の特定の構造により生じるので、その構成原則は別の材料による技術的被殻に転用することが可能である。
【００５４】
（３）予め選択した被殻構築体の最も実現の見込みある区域の微細構造物の選択
珪藻類の全構造の中から微細孔のみを精密分析したが、弁の全表面にわたるそれらの配列は分析しなかった。同じように、被殻の縁辺区域及び幾つかの突起（リモポルトゥラエ、フルトポルトゥラエ）（Ｒｉｍｏｐｏｒｔｕｌａｅ，Ｆｕｌｔｏｐｏｒｔｕｌａｅ）は選択されなかった。
【００５５】
（４）選択した微細構造物の設計データの直接取得
これらのデータは光学顕微鏡及び走査電子顕微鏡写真によって取得し、ＣＡＤプログラム及びＦＥプログラムによって３Ｄモデル（理想化された標準細孔）に変換した。この３Ｄモデルから出発して種々の変化形が開発され、ＦＥ分析により種々の物理学的特性の試験を行った。
【００５６】
（５）取得したデータを透過性軽量構造被殻の基礎パラメータにスケーリングする作業
このスケーリングは、実質的に原モデルを基礎として行われ、そのように行うことは、被殻の特定の相似法則により可能になる。
【００５７】
（６）スケーリングしたデータを透過性軽量構造被殻の１組のプロトタイプ・データに編集する作業
編集によって、プロトタイプの作製のための生産技術的な可能性と、場合によっては量産に適する生産方法とを検証する。図１３の左図には、実現可能な構造物のフラクタルな層モデルが示されているが、このモデルは、１つのマトリックス内の３層開放中空球を第１近似で示している。最大中空球直径は１２５：５：１の比、例えば１ｃｍ、２ｍｍ、４００μである。図１３の右図は、モデル内の最小の微細孔の１つを切り出して示した図である。下方へ開かれた中空体と、上方に集められた、ダイアフラム機能を有するより小さい中空体とが認められる。
【００５８】
（７）プロトタイプの最適化作業
差し当たり、ＦＥ計算により、特に構造物の静力学と透過性とを調べ、必要であれば、変更により要求性能を更に最適化する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の方法のブロック図。
【図２】珪藻類の被殻構造。
【図３】珪藻類ジアトマ属のアステロランプラ（左図）、アステロムファルス（中央の２つ）、アラクノイディスクス（右図）の各被殻構造物。
【図４】アラクノイディスクスのそれぞれＳＥＭ写真（左図）、ＣＡＤモデル（中央）、ＦＥモデル（右図）。
【図５】軽量構造リムのプロトタイプの一部をカットアウトした前面図。
【図６】プロトタイプの一部をカットアウトした斜視後面図。
【図７】プロトタイプの一部をカットアウトした斜視側面図。
【図８】ファエオダリエンの被殻構造（不適）。
【図９】ファエオダリエンの被殻構造（好適）。
【図１０】ファエオダリエンの被殻の内部構造の詳細図。
【図１１】軽量構造素材用のプロトタイプの面状モデル（左図）と線状モデル（右図）。
【図１２】コスキノディスクス・ワイレシの被殻の内部構造の詳細図。
【図１３】透過性軽量構造被殻のプロトタイプのフラクタルな層モデル（左図）とカットアウト部の図（右図）。
【符号の説明】
【００６０】
ＢＯ  穴
ＥＭ  プロトタイプ
ＦＢ  リムベース
ＦＫ  リム体
ＫＰ  円板
ＲＡＳ  半径方向スポーク
ＲＩＳ  環状スポーク
ＳＡ  スポーク構造
ＺＢ  中心穴
【図１】
2007512599.tif 000003
【図２】
2007512599.tif 000004
【図３】
2007512599.tif 000005
【図４】
2007512599.tif 000006
【図５】
2007512599.tif 000007
【図６】
2007512599.tif 000008
【図７】
2007512599.tif 000009
【図８】
2007512599.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2007512599.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
2007512599.tif 000016
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