平面シートが「変身」して曲面に ―生物の「かたちづくり」をモノづくりに―

2026-06-10 京都⼤学

京都大学を中心とする研究グループは、生物の形態形成の基本原理である「偏差成長」を工学的に再現し、平面シートを自律的に立体的な曲面へ変形させる技術を開発した。偏差成長とは、組織の場所ごとに成長速度が異なることで平面構造が複雑な三次元形状へ変化する現象で、植物の葉や動物の器官形成に広く利用されている。本研究では、熱収縮フィルム上に3Dプリンタで「縮まない樹脂片」を配置し、部位ごとの収縮率を制御することで、生物の偏差成長を人工材料上で実装した。さらに、等角写像という数学的手法を用いて、目的とする曲面形状に必要な収縮パターンを設計できることを示した。また、形成後に紫外線硬化樹脂を塗布することで構造剛性を約166倍に高め、生物が外骨格を形成する仕組みまで模倣した。これにより、複雑な曲面構造を簡便に製造できる新たなモノづくり手法が実現され、生物模倣工学やソフトロボティクス、軽量構造材料などへの応用が期待される。

平面シートが「変身」して曲面に ―生物の「かたちづくり」をモノづくりに―
フィルムの場所ごとに収縮率が異なる「偏差成長」を実装 こちらは実験結果の写真(造形・撮影:森川健太郎)を素材とした生成AI画像(ChatGPT Images 2.0)です(作成:井上康博)

<関連情報>

生物の偏差成長に着想を得た曲面構造の人工形態形成 Artificial morphogenesis of curved surface structures inspired by differential growth in biology

Kentaro Morikawa ;Takumi Nakamura;Yoshihiko Matsumoto;Keisuke Matsuda;Masakazu Akiyama;Shintaro Yamasaki;Shigeru Kondo;Yasuhiro Inoue
Journal of the Royal Society Interface
DOI:https://doi.org/10.1098/rsif.2025.1094

Abstract

From the elegant petals of flowers to advanced aerospace designs, curved surfaces are fundamental to both natural and engineered systems, playing critical roles in structural and functional performance. In biology, these surfaces frequently arise from differential growth processes, where spatially varying growth rates orchestrate the transformation of flat tissues into intricate three-dimensional forms, exemplified by leaf curling or organ development. Engineering such surfaces, however, remains challenging, as current methods are energy-intensive, material-heavy, and lack the efficiency and adaptability seen in natural systems. Here, we demonstrate an artificial morphogenesis methodology that fabricates curved surfaces from planar materials by programming area change rates calculated through conformal mapping. Using heat-shrink film, we three-dimensionally-printed precisely patterned non-shrinking elements to implement calculated area change rate distributions, ensuring precision and reproducibility. This method enables the design and production of diverse target shapes using adaptable materials that maintain their shape even in dry environments. Compared with conventional techniques, this approach reduces material waste, eliminates the need for moulds and offers high adaptability. This bioinspired framework bridges biological principles with modern fabrication techniques, advancing curved surface design. Potential applications include adaptive medical implants for minimally invasive surgeries, lightweight aerospace structures and soft robotic skins with real-time adaptability.

0101機械設計
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