弾性梁の凝着による把持・脱離システムの最適設計と試作

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本研究課題は, 生物の優れた特徴からヒントを得た凝着モデルによる把持脱離メカニズムの解明とその応用を目的としている. ヤモリなどの生物は, 手足の微細毛構造が物体表面に凝着することにより自身の体重を支えるのに十分な把持力を得ている. 微細毛構造による凝着現象の理解は, 凝着力を利用した把持脱離デバイスの設計の上で非常に有用であるとされる. ヤモリの手足先端に生えるSpatulaと呼ばれるナノサイズの毛はヘラ状であり, 毛の側面が凝着していると考えられている. ヤモリのSpatulaをヒントにし, 片持ち弾性梁の側面が平面基盤に凝着する梁側面凝着モデルを考案し, 理論・実験による検討を行った. 表面界面の自由エネルギーと弾性エネルギーの平衡条件より梁側面が凝着している状態で梁に働く力が導出され, 着脱時のヒステリシスが凝着力へ及ぼす影響が議論された. 更に, 弾性梁着脱プロセスの工夫による凝着力制御の可能性を検討するために梁の動きに注目し, 検討が行われた. ヤモリは素早い動きの中で把持脱離を繰り返すために複雑な足の動きをしていると考えられるが, 動きの中で微細毛に働く摩擦の向きをうまく利用し着脱しているとされる. 本研究では, 梁構造物に働く摩擦の向きが凝着力へ及ぼす影響を理論的に評価した. 摩擦の有無により, 梁の変形が影響を受ける. その結果, 弾性梁に働く摩擦が圧縮方向の場合に比べ引張方向の場合基盤垂直方向に働く凝着力が増大することが示された.