弾性シェル構造体の柔軟な幾何学変形と力学機能デザイン：ソフトマターから生物まで

折り紙や切り紙のようなうすい材料からなる構造は、大きなシートを小さく折りたたんで収納しまた可逆な駆動で展開できるという構造利点がある。前年度に引き続き、折り切り紙構造の展開における多安定性に注目した。変形と弾性力が密接に相互作用することで、弾性変形によってある安定な形状から別の安定な形状に遷移する機能を創発する例がある。ただし、無数にある展開構造の駆動と多安定性の機能を統一して定量的に予想する洞察は、まだ限定的である。そこで多安定性のある特定の構造をワーキングモデルとして、力学模型による実験と、有限要素法解析、理論考察の3つの手法を組み合わせて、その駆動の仕組みを詳細にわたって明らかにした。ワーキングモデルとして、平面シートから三次元構造を形成するRES (Rotational Erection System) という設計手法を取り上げた。折りと切りを組み合わせることで、折り紙が持たない、横方向の系のサイズを維持したまま縦方向に立体化できる機能と、切り紙には実現が難しい、形状の多重安定性を同時に発現させている。折り目と切り目の幾何的パターンにもとづくと、この系は剛体折りで展開できないが、面の弾性を伴った曲げ変形によって、エネルギー的に離散した2つの形状を繋ぐ物理的な経路ができていることを実証できた。これによってRES多安定の機能が生まれていることが明らかになった。安定状態間のエネルギーバリアは、構造のサイズには依存せず、曲げ変形が最も顕著に起こる部位のアスペクト比にのみ依存することも示した。また立ち上がった状態のRESは、その独特なセルフロックの機構によって剛性を発揮し、強い耐荷重の機能も有することを示した。これらの研究成果は、アメリカ物理学会誌Physical Review Applied に論文が掲載され、Editors' Suggestion にも選出された。

折り紙や切り紙のようなうすい材料からなる構造は、大きなシートを小さく折りたたんで収納しまた可逆な駆動で展開できるという構造利点がある。前年度に引き続き、折り切り紙構造の展開における多安定性に注目した。変形と弾性力が密接に相互作用することで、弾性変形によってある安定な形状から別の安定な形状に遷移する機能を創発する例がある。ただし、無数にある展開構造の駆動と多安定性の機能を統一して定量的に予想する洞察は、まだ限定的である。そこで多安定性のある特定の構造をワーキングモデルとして、力学模型による実験と、有限要素法解析、理論考察の3つの手法を組み合わせて、その駆動の仕組みを詳細にわたって明らかにした。ワーキングモデルとして、平面シートから三次元構造を形成するRES (Rotational Erection System) という設計手法を取り上げた。折りと切りを組み合わせることで、折り紙が持たない、横方向の系のサイズを維持したまま縦方向に立体化できる機能と、切り紙には実現が難しい、形状の多重安定性を同時に発現させている。折り目と切り目の幾何的パターンにもとづくと、この系は剛体折りで展開できないが、面の弾性を伴った曲げ変形によって、エネルギー的に離散した2つの形状を繋ぐ物理的な経路ができていることを実証できた。これによってRES多安定の機能が生まれていることが明らかになった。安定状態間のエネルギーバリアは、構造のサイズには依存せず、曲げ変形が最も顕著に起こる部位のアスペクト比にのみ依存することも示した。また立ち上がった状態のRESは、その独特なセルフロックの機構によって剛性を発揮し、強い耐荷重の機能も有することを示した。これらの研究成果は、アメリカ物理学会誌Physical Review Applied に論文が掲載され、Editors' Suggestion にも選出された。