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

弹性壳结构的柔性几何变形与力学功能设计：从软物质到生物体

• 批准号: 19J22381
• 负责人: 米田 大樹
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Ritsumeikan University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-25 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19J22381/
• 关键词: 弾性シェル; 幾何力学; 多安定性; 構造力学; 折り切り紙; スナップ座屈; 幾何学的剛性; セルフロック機構; 多重安定性

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。

Folding り paper cut や り の よ う な う す い material か ら な は る structure, large き な シ ー ト を small さ く fold り た た ん で 収 na し ま た reversible な 駆 で aggressively で き る と い う tectonic tartness が あ る. In the previous year, に led to に 続 続 に, the structure of folding and cutting <e:1> paper was expanded to における multi-stability に, and attention was paid to <s:1> た. - shaped と 弾 shakti が contact に interaction す る こ と で, 弾 - shaped に よ っ て あ る settle な shape か ら don't の settle な shape に migration す る function を gen 発 す る example が あ る. た だ し, countless に あ る on tectonic の 駆 actuation と stability の function を unified し て quantitative に to think す る insight は, ま だ qualified で あ る. そ こ で more stability の あ る specific の tectonic を ワ ー キ ン グ モ デ ル と し て, mechanical model に よ る be 験 と, resolution of the finite element method, theoretical investigation の 3 つ の gimmick を group み close わ せ て, そ の 駆 dynamic の blackstone group み を detailed に わ た っ て Ming ら か に し た. ワ ー キ ン グ モ デ ル と し て, plane シ ー ト か ら を three yuan structure formation す る RES (Rotational Erection System) と い う design gimmick を take り げ た. Folding り と cut り を group み close わ せ る こ と で, paper folding り が た な い, transverse direction の is の サ イ ズ を maintain し た ま ま 縦 direction に three-dimensional で き る function と, paper cutting り に は be presently が difficult し い multiple stability を に at the same time, shape の 発 now さ せ て い る. Folding り yard cut と り の geometry パ タ ー ン に も と づ く と, こ の is は rigid folding り で expand で き な い が, face の 弾 を with っ た qu げ - shaped に よ っ て, エ ネ ル ギ ー に discrete し た 2 つ の shape を 繋 ぐ physical な 経 road が で き て い る こ と を card be で き た. The <s:1> れによってRES stabilizes the <s:1> function が to generate まれて る る とが とが to make ら る になった. Stable state between の エ ネ ル ギ ー バ リ ア は, tectonic の サ イ ズ に は dependent せ ず, qu げ - shaped が most も 顕 since the に こ る parts の ア ス ペ ク ト than に の み dependent す る こ と も shown し た. ま た stand on ち が っ た state の RES は, そ の unique な セ ル フ ロ ッ ク の institutions に よ っ て rigid を 発 swing し, strong い resistant load の function も す る こ と を shown し た. Youdaoplaceholder6 れら <s:1> research results アメリカ, アメリカ Physical Review Applied に paper が published され, Editors' Suggestion に れら selected された.

项目成果

回転で立体化する折り切り紙：RESの構造的な剛性

通过旋转变成三维的折纸：RES的结构刚性

• 发表时间: 2021
• 作者: 米田大樹;宮本好信;和田浩史
• 通讯作者: 和田浩史

Structure, Design, and Mechanics of a Pop-Up Origami with Cuts

• DOI: 10.1103/physrevapplied.17.l021004
• 发表时间: 2021-05
• 期刊: Physical Review Applied
• 影响因子: 4.6
• 作者: Taiju Yoneda;Yoshinobu Miyamoto;H. Wada

切り折り紙のポップアップにおける多重安定性

剪切折纸弹出窗口的多稳定性

• 发表时间: 2019
• 作者: 米田大樹;宮本好信;和田浩史
• 通讯作者: 和田浩史