生物に学ぶ弾性シェル構造のメカニクス：かたちによる機能デザイン

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うすい構造は、体積のある材料には真似できないユニークな機能を作ることができ、折紙工学をはじめ多くの先行研究がある。自然界においても、生物は進化の過程で多くのうすい構造の機能を獲得している。ただし多くのうすい構造は、その機能が広く知られていても、背後にある幾何学と力学は密接に関係しており複雑で、未解明な部分が多い。そのため、機能を発現する構造を設計するためには、基本構造と動きの仕組みを定量的に明らかにすることが重要である。その足掛りとなるモデルケースとして、円柱体型の生物であるヘビとイモムシの脱皮機能に注目した。両者は生物学的な分類は全く異なるが、細長い体型であり、かつ脱皮によって成長するという共通の機能を獲得している。しかしながら、脱皮の過程には大きな違いがあり、ヘビは表皮を頭側から反転させ脱ぐのに対し、イモムシは座屈によりしわを形成させ尾側へたたみながら脱ぐ。この表皮の駆動の違いが生じる原因を明らかにすることは、一般的な円筒表面構造の剥離を最適化することが可能になる点で意義がある。構造を剛体円柱と弾性円筒膜としてモデル化し、物理模型実験と数値解析を実施した。物理実験においては、硬化シリコーンによって、直径と厚さを制御した表皮模型を形成し、形状パラメータを変化させたときの、反転と座屈駆動に必要な力を測定した。その結果、一部の形状パラメータにおいて、表皮と体の直径の差に依存して、脱皮途中の反転と座屈の駆動優位性が切り替わることが確認された。ただし、現状の模型では接触摩擦の影響が考慮されていないため、摩擦の定量化が今後の課題となっている。数値解析においては、有限要素法解析ソフトを用いて、反転脱皮に関しておおむね実験と同様の力学駆動を再現できた。このモデルによって、実験が困難なパラメータ領域まで計算し、今後理論的な考察も組み合わせて、脱皮のメカニズムを明らかにする。